CN112119327A - 具有声速像差映射的合成透射聚焦超声系统 - Google Patents

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Abstract

在产生合成地发射聚焦图像的超声成像系统中，分析用于形成图像扫描线的多线信号的声速变化，并生成该变化的图。在一个优选的实现方式中，在介质中的声速变化引起的接收多线的相位差异是在用于接收角度谱的角度谱域中估计的。一旦估计了针对图像中所有位置的相位，就可以计算出在相同横向位置但深度不同的两个点之间的差分相位。该差分相位与该两个点之间的局部声速成比例。根据这些声速估计来生成彩色编码的二维或三维映射，并且呈现给用户。

Description

具有声速像差映射的合成透射聚焦超声系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年5月15日提交的美国临时专利US 62/671488和2019年4月25日提交的美国临时专利US 62/838365的优先权和权益，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及超声成像系统，并且具体而言涉及超声成像系统，所述超声成像系统在超声图像中产生声速变化图，所述超声图像以合成方式发射聚焦。
背景技术
随着从增加的景深接收的回波，通过跨孔口连续地调节用于组合来自不同传感器元件的延迟，常规超声系统在回波信号接收期间动态聚焦。因此，所接收的信号被适当地聚焦在所有景深处。但是在发射时，发射的波束只能聚焦在单个聚焦深度处；一旦发射波束被发射到人体中，就无法进一步对其进行修改。因此，与在所有深度聚焦的接收波束相比，发射波束仅完全聚焦在单个景深上。由于完整聚焦特性是发射焦点和接收焦点的乘积，因此得到的图像仅在发射聚焦深度处最清晰地聚焦。
美国专利US 8137272(Cooley等人)描述了一种用于处理多个接收波束以合成回波信号的技术，所述回波信号具有在所有深度处的发射聚焦的特性。如该专利中所述，多线波束形成器响应于每个发射波束而产生多条相邻的接收线。来自沿着孔口的不同点的相继发射的接收线在空间上对齐，从而在每个线位置处接收来自不同发射事件的多条线。对来自公共空间位置的线进行加权和延迟，然后与相位调节相组合以解决来自不同位置的发射波束的回波的不同往返时间。这样，组合的多线具有扫描线的特征，这些扫描线在发射过程中被连续地聚焦，从而在整个景深上产生更清晰的图像。
然而，权重和延迟用于准确地波束形成，并且然后组合在每一线位置处的接收到的多线的前提是假设在介质中的回波的行进恒定速度，一般假定为声音在组织中的平均速度，例如，1450m/sec。但是，这种假设并不总是准确的，因为不同类型的组织和组织密度会导致行进的超声表现出与假定速度不同的速度。因此，根据需要形成和组合多线可能不准确。
发明内容
本发明涉及例如借助于在整个成像区域上的声速变化的二维或三维映射来检测并向用户显示这样的声速像差。
根据本发明的原理，分析用于形成合成聚焦的超声扫描线的多线信号的声速变化，并生成该变化的图并呈现给用户。在一个优选的实现方式中，在介质中的声速变化引起的接收多线的相位差异是在用于接收角度谱的角度谱域中估计的。一旦估计了针对图像中所有位置的相位，就可以计算出在相同横向位置但深度不同的两个点之间的差分相位。该差分相位与该两个点之间的局部声速成比例。根据这些声速估计来生成图像区域的彩色编码的二维或三维映射，并呈现给用户。
附图说明
在附图中：
图1a和1b分别图示了具有像差和没有像差的信号相位。
图2以框图形式图示了根据本发明构造的超声系统。
图2a图示了包括在图2的信号处理器中的合成发射聚焦电路。
图3是通过本发明的构造实现方式检测到的球像差相位效应的曲线图。
图4图示了颈动脉的超声图像。
图5图示了针对图4的超声图像的区域的声速图。
具体实施方式
首先参考图1a，图的左侧示出了静态聚焦的超声波束的波束轮廓30。如波束轮廓所示，波束仅在轮廓最窄处的一个深度最大程度地聚焦。图的右侧示出了波束角度谱的相位，即波束轮廓上的傅立叶变换。波束焦点上的相位变化由线34表示，并在焦点处保持平坦。如曲线32和34所示，在焦点之上和之下，在更浅和更深的深度处，相位变化被视为球形。
图1b示出了动态聚焦在所有深度的超声波束30'的角度谱的相位。在这种情况下，如线32′、34′和36′所示，角度谱的相位变化在所有深度都是平坦的。在介质中没有声速的变化的情况下，用于动态发射聚焦的预先计算的系数将产生具有此相位特性的波束。但是，声音在介质中变化的速度会导致散焦，而不是在所有深度都聚焦。本发明的一个目的是检测和去除将偏离动态聚焦超声波束的角度谱的期望平坦相位特性的相位像差。
在图2中，以框图形式示出了根据本发明的原理构造的超声成像系统。换能器阵列12被提供在超声探头10中，用于发射超声并接收回波信号。换能器阵列12可以是换能器元件的一维或二维阵列，其能够在例如高程(3D)和方位角上在二维或三维上进行扫描。发射波束形成器16被耦合到阵列的元件，以在适当的时间激发有源发射孔口的元件，以发射期望形状和方向的波束。对于多线接收，发射波束的宽成形，以对像场中的多个接收束位置进行声处理。由发射波束形成器控制的发射特性包括发射波形的数量、方向、间距、幅值、相位、频率、极性和多样性。沿脉冲传输方向形成的波束可以直接从换能器阵列转向，也可以在未转向波束的任一侧以不同角度转向，以获得更宽的扇形视场。对于一些应用，未聚焦的平面波可用于发射。
探头10借助于发射/接收开关14耦合到接收波束形成器，所述发射/接收开关14保护接收波束形成器免受高压发射信号的影响。对于多线接收，通过适当地延迟回波信号，然后将它们在一起形成多线波束形成器的多线子波束形成器BF1，BF2，…，BFN中组合，对由阵列12的元件接收的回波信号进行并行波束形成。每个子波束形成器具有延迟τ1...τn继之以加法器Σ的不同编程，其产生在图场的不同位置处的转向并聚焦的接收波束。因此，多线波束形成器能够响应于在单个发送事件中接收到的回波而并行地形成N个接收波束，并且响应于一个发送波束而使用该能力来形成N条相邻接收线。对于合成发射聚焦，发射波束在探头孔口中逐渐移动，但是每组接收线都与其他发射事件的接收线位置对齐。结果是在每个接收线位置从多个空间偏移的发射波束中产生了多条接收线。然后，如下所述将每个接收线位置的接收线一起处理，以形成用于成像的单条接收线，所述接收线是合成发射聚焦的。
多线波束形成器的输出被耦合到信号处理器22，其中，相干回波信号可以经受信号处理，例如通过空间或频率复合的噪声滤波或噪声降低。经处理的信号被耦合到图像处理器122以用于诸如B模式探测和扫描转换的处理，并且所得的图像被显示在显示器124上。
对于合成发射聚焦，信号处理器22还包括如图2a中所示的电路。由多线波束形成器产生的接收多线在线存储器112中被缓冲，使得在不同时间在相同线位置接收的接收线可以被并行处理。将用于形成显示数据的特定行的一组多行应用于乘法器116a-116n中的相应一个，以产生对应的线位置的显示数据。如果需要，可以通过切趾权重114a-114n对来自每条线的回波数据进行加权。通常，这些权重将根据其往返脉冲响应来对每条多线进行加权。适当的加权算法可以通过使幅值项(x，z)为发射波前在像场中的点(x，z)处的点的声处理幅值来导出，方位角位置x＝0对应于中心发射波束的轴。令X为接收到的多线相对于发射波束轴的方位角。应用于此接收到的多线以在深度Z处形成图像点的权重为：
权重(X，Z)＝幅值(X，Z)
为了确定适当的延迟特性，令传播_时间(x，z)为发射波前到达位置(x，z)处的点所需的传播时间，方位角x＝0再次对应于发射的中心轴波束。令X为接收线相对于发射波束轴的方位角。应用于此接收的多行以形成深度Z处的图像点的延迟为：
延迟(X，Z)＝传播_时间(X，Z)-传播_时间(0，Z)
其中，传播_时间(0，Z)是到达同一深度但在轴上的点的时间。
例如，可以根据对发射场的模拟来获得函数幅值(X，Z)和传播时间(X，Z)。计算传播时间的一种合适方法是在多个频率上使用根据单色模拟产生的场的相位延迟。可以通过在几个频率上对场的幅值进行平均来计算幅值。另外，可以将基于深度的归一化应用于权重。这将给定深度的所有权重乘以一个公共因子。例如，可以选择归一化，使得纹波区域具有随深度均匀的亮度。通过根据深度来改变权重，可以随着深度动态地改变孔口的尺寸和形状(切趾)。
不需要根据对系统中使用的确切传输特性的模拟来导出幅值和传播时间。例如，设计者可以选择使用不同的孔口大小或不同的切趾处理。
来自每条线的回波由乘法器116a-116n加权，并且由延迟线118a-118n延迟。通常，这些延迟将与发射波束中心到接收线位置的位置有关。对于具有不同的发射-接收波束位置组合的多线，所述延迟用于均衡线与线之间存在的相移方差，从而组合信号的相位差引起将不引起信号消除。加法器120将延迟的信号组合，并且得到信号被耦合到图像处理器122。
在图2a的系统中，延迟线118和加法器120对从在给定方向上共对齐的几条接收多线接收的信号进行重新聚焦。重新聚焦针对由对每条多线使用不同的发射波束位置而导致的相位差进行调整，从而避免了组合信号中不希望的相位抵消。权重114对多线相对于发射波束到多线位置的接近度的贡献进行加权，从而对接收具有更高信噪比的波束赋予较高的权重。由于在每个接收线方向上的多个采样的组合，这导致沿每个接收线的景深扩展和增强的穿透力(改善的信噪比)。
根据本发明的原理，图2的超声系统还包括相位像差估计器20。本发明人已经确定，波束散焦是由角度谱的相位项的像差引起的。因此，相位像差估计器估计该相位项，然后对其进行校正。优选地，使用所接收的多线数据的适当的数据集对发射和接收都进行此操作。
由相位像差估计器20执行的处理如下地进行。首先，计算发射中的角度谱。这是通过针对每个线位置进行多线数据集的二维傅立叶变换来完成的，所述多线对应于相同的线位置。如图所示，相位像差估计器通过其与子波束形成器BF1…BFN的输出的连接来采集此数据。该数据集具有深度和发射的维度，因为在不同的发射事件期间采集了公共位置的每条多线。在构造的实现方式中，将每条多行线划分为连续的5mm深度区域，并针对每个区域计算角度谱。由于已经通过傅里叶变换将数据转换到频域，因此可以在kx频带中的每个kx空间频率处估计角度谱的相位。空间频率kx(n)和kx(n+1)之间的角度谱互相关函数可通过以下公式计算：
Figure BDA0002776711900000051
其中，S是在深度(z)和发射(x)维度上多线数据的角度谱，n和(n+1)是频域中的相邻像素。
由于超声信号是相干的，因此超声图像会被称为纹波的伪影现象所污染，所述伪影现象是由于成像介质中声学信号的随机消除和增强所致。为了最小化纹波伪影对像差估计的影响，通过平均来平滑纹波。纹波平滑的合适公式为：
Figure BDA0002776711900000061
其平均对N条多条线的相关系数的纹波效应，其中，N是要被平均的接收多条线的数量，
Figure BDA0002776711900000062
是空间频率kx(n)和kx(n+1)之间的角度谱的互相关函数。空间频率kx(n)和kx(n+1)之间的相邻频率的平均相关函数的差分相位被计算为：
Figure BDA0002776711900000063
然后将对差分相位值进行积分，以在kx空间频率的整个范围内产生绝对相位：
Figure BDA0002776711900000064
相位项将包括波束转向的影响，所述影响不受到像差校正过程的影响。为了防止这种情况，通过去趋势处理来移除相位项的线性趋势。已知的去趋势技术可以用于该过程。然后使用相位随频率k线性变化的假设，沿时间频率对相位项进行平均。这可以通过将相位从其(kz，kx)坐标转换为(k，teta)坐标来完成，其中，k2＝kx2+kz2是时间频率，teta表示平面波角度。替代地，这可以通过沿着kz进行平均来实现。然后将所得的估计相位项用于移除角度谱的相位。这是通过将相位估计值从其平均后的向量形式
Figure BDA0002776711900000065
转换为其矩阵形式
Figure BDA0002776711900000066
并将角度谱乘以
Figure BDA0002776711900000067
来完成，其中，
Figure BDA0002776711900000071
是估计的相位。然后应用逆二维傅立叶变换以将数据返回到空间坐标。替代地，可以在波束形成器的输出处使用匹配滤波器24以从多线信号中移除像差相位项。
接收中的像差相位估计和校正使用相同的过程，但使用不同的数据集。接收数据集是响应于单个发射事件而接收的一组多线。为此目的，所使用的多线可以是已经由图2a电路进行了综合发射聚焦处理的线。因此，示出了在信号处理器22和相位像差估计器20之间的连接以提供该数据。然后在深度和接收维度上完成第一步处理的二维傅立叶变换。然后，如上文针对发射情况所解释的，用于接收像差的相位项被计算并用于校正数据。
由于接收相位校正对已经通过图2a电路进行动态聚焦的多线数据进行操作，因此在没有声速像差的情况下，其预期相位项应在所有深度都是平坦的，如图1b中的32'，34’和36’所示。发射相位校正，其被认为是在子波束形成器的输出上产生的多线上工作的，因此有所不同。如图1a的32、34和36所示，它的预期相位项在聚焦深度处是平坦的，并且在其他深度处是球形的。图3图示了在通过本发明的构造实现的去趋势和平均之后的发射相位估计曲线40，并且可以看出对于比发射波束的聚焦深度浅的深度，其呈现出期望的球形。
可以在本发明的实现方式中完全在空间域中如下执行像差相位的估计及其补偿。为了进行发射相位估计和校正，对于公共接收线位置，在相邻发射波束b(n)和b(n+1)的多线数据之间估计互相关：
Figure BDA0002776711900000072
其中，多线数据是在深度和发射维度中的。为了平滑纹波噪声，相关函数在多条接收线以及多个深度样本上被平均：
Figure BDA0002776711900000073
其中，N是接收线和深度样本的总数，并且
Figure BDA0002776711900000081
是发射波束b(n)和b(n+1)之间的第i个互相关函数。然后通过以下公式计算相邻发射线之间的差分延迟：
Figure BDA0002776711900000082
其中，Δl是通过子像素估计(内插)获得的精细延迟，并且1是与函数最大值相对应的指标。
来自不同发射线的差分延迟被积分以产生绝对延迟值：
Figure BDA0002776711900000083
如上所述，应用了去趋势技术来消除延迟的一阶项，以避免影响预期的波束转向。然后，延迟线118a…118n使用经补偿的延迟来移除合成发射聚焦过程中的相位像差。
使用上述接收数据集，将相同的过程用于接收延迟校正。
只要像差是声速误差，就仅影响角度谱的相位。对于其他像差，幅值也会受到影响。简单地校正相位仍可以改善聚焦，但是如果还通过诸如逆滤波来补偿幅值，则可以获得更好的校正。Weiner滤波器可以达到此目的。二维傅立叶逆变换之前用于角度谱的增益的Weiner滤波器为：
Figure BDA0002776711900000084
其中，A是角度谱的估计幅值，S是信号水平，N是噪声水平，
Figure BDA0002776711900000085
是(绝对)相位校正。如果信噪比是无限的，则该滤波器将作为逆滤波器工作；如果有噪声，Weiner滤波器将防止放大较小的噪声系数。
可以将用于估计图像中的点处的声速的前述技术应用于在完整像场上以产生声速变化的图。声音测量的局部速度可以提供关于组织类型的信息。例如，此信息可以帮助区分健康肝组织和脂肪肝组织。例如，这将为筛查非酒精性脂肪肝疾病(NAFLD)和非酒精性脂肪性肝炎(NASH)提供重要信息。如上所述，通过估计角度频谱域中的相位来开始产生声速图。优选地，使用上述接收数据来进行相位估计，因为该数据已经使用图2a的电路进行了合成发射聚焦处理，并且在没有声速变化的情况下，相位应该如图1b中所示是平坦的。如果需要，可以如上所述地执行发射声速校正，从而在接收中获得更好的相位估计。因此，如果完美地集中了接收点扩展函数，则接收时角度谱的相位应该完美地平坦。声速变化将导致局部散焦和球形相位特性，如图1a所示。
对应于平面波角θ的角频率的相位误差，所述误差通过teta＝arctan(kx/kz)与空间频率有关，其为
Figure BDA0002776711900000091
其中，λ是超声发射频率的波长，z0是深度，c0是在没有变化的情况下的名义声速，c是在所讨论位置的实际声速。当在发射波束的频率范围内进行平均并在cos(θ)角范围内通过最小均方法拟合后，可以计算出相曲率的估计值
Figure BDA0002776711900000092
当
Figure BDA0002776711900000093
时，这将昨到
Figure BDA0002776711900000094
并将方程的两边乘以(c·c0)得到声速的二阶方程为
Figure BDA0002776711900000095
关于α的一阶解是：
Figure BDA0002776711900000096
并且完整的解是：
Figure BDA0002776711900000097
为了获得纹波的准确相位估计，需要对一个区域进行平均。合适的区域是1毫米深的切片，横向有32条发射线。使用公式[1]-[4]在图像区域上估计上述接收数据的相位。一旦估计了图像中所有点的相位，就可以计算出相同横向位置但深度不同的点之间的差分相位。该差分相位与该两个点之间的局部声速成比例。然后使用最小均方估计值拟合微分相位，以找到相位的局部曲率。速度图的值由下式给出
Figure BDA0002776711900000098
其中，
Figure BDA0002776711900000101
相位曲率与介质的实际声速有关，当存在声速差时，如图1a所示是弯曲的，或者在没有声速变化时，如图1b所示是平坦的。通过查找表将差分相位值转换为颜色值，并将其显示为彩色图，以图示图像场中声速变化。
图4示出了体内颈动脉的超声图像50。图5示出了针对该图像区域计算的声速图60的速度。映射右侧的色条62将映射的颜色与图4的解剖结构中的实际声速相关。
应当注意，适用于本发明的实施方式的超声系统，特别是图2和2a超声系统的部件结构，可以用硬件、软件或其组合来实现。超声系统的各种实施例和/或部件，或其中的部件和控制器，也可以实现为一个或多个计算机或微处理器的一部分。计算机或处理器可以包括计算设备、输入设备、显示单元和接口，例如用于访问因特网。计算机或处理器可包括微处理器。微处理器可以连接到通信总线，例如，以访问PACS系统或数据网络以导入训练图像。计算机或处理器还可以包括存储器。诸如针对线存储112使用的存储器设备的存储器设备可以包括随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。计算机或处理器还可以包括存储设备，其可以是硬盘驱动器或可移动存储驱动器，例如软盘驱动器、光盘驱动器、固态拇指驱动器等。存储设备还可以是用于将计算机程序或其他指令加载到计算机或处理器中的其他类似装置。
如本文中里所使用的，术语“计算机”或“模块”或“处理器”或“工作站”可以包括任何基于处理器或基于微处理器的系统，包括使用微控制器，精简指令集计算机(RISC)，ASIC，逻辑电路的系统，以及能够执行本文所述功能和公式的任何其他电路或处理器。以上示例仅是示例性的，因此不旨在以任何方式限制这些术语的定义和/或含义。
计算机或处理器执行存储在一个或多个存储元件中的一组指令，以便处理输入数据。存储元件还可以根据期望或需要存储数据或其他信息。存储元件可以是处理机器内的信息源或物理存储元件的形式。
如上所述的超声系统的指令集(包括控制超声图像的采集、处理和显示的那些指令，并且特别是相位像差估计器和声速映射的功能的指令)可以包括指示计算机或处理器作为处理机器执行特定操作的各种命令，例如本发明的各种实施例的方法和过程。所述一组指令可以采用软件程序的形式。软件可以是各种形式，例如系统软件或应用软件，并且可以体现为有形和非瞬态计算机可读介质。此外，所述软件可以采用单独程序或模块的集合的形式，例如发发射控制模块和像差校正模块，较大程序内的程序模块或程序模块的一部分。所述软件还可以包括面向对象编程形式的模块化编程。处理机器对输入数据的处理可以响应于输入的操作者命令，或者响应于先前处理的结果，或者响应于另一个处理机器做出的请求。
此外，以下权利要求的限制不是用功能模块架构的格式写的，并且不打算基于35U.S.C.112第六段来解释，除非并且直到这样的权利要求限制明确地使用短语“用于……的模块”，然后是没有进一步结构的功能声明。

Claims (15)

1.一种对像场中的声速变化进行映射的超声成像系统，包括：
换能器阵列探头；
发射波束形成器，其被耦合到所述探头并且适于发射包括多个相邻接收线位置的超声波束；
多线波束形成器，其被耦合到所述探头并且适于响应于发射波束而产生多条相邻的多线；
合成发射聚焦电路，其被耦合到所述多线波束形成器并且适于产生具有发射聚焦效果的图像信号；
相位像差估计器，其被耦合以接收由所述多线波束形成器产生的多线，并且适于估计频域中的像场中的点处的相位变化并且适于产生相位变化的图；以及
显示器，其被耦合到所述相位像差估计器，并且适于显示所述相位变化的所述图。
2.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中，所述相位像差估计器适于估计所述频域中的所述像场中的点处的相位变化；并且
其中，所述相位像差估计器还适于使用接收的多线数据进行操作。
3.根据权利要求2所述的超声成像系统，其中，所述多线数据具有深度和接收多线的维度。
4.根据权利要求2所述的超声成像系统，其中，所述相位像差估计器还适于对多线数据集进行二维傅立叶变换。
5.根据权利要求4所述的超声成像系统，其中，所述相位像差估计器还适于估计多线数据集的角度谱的相位。
6.根据权利要求5所述的超声成像系统，其中，所述相位像差估计器还适于计算不同空间频率之间的所述角度谱的互相关函数。
7.根据权利要求6所述的超声成像系统，其中，所述相位像差估计器还适于通过平均来对图像纹波进行平滑。
8.根据权利要求6所述的超声成像系统，其中，所述相位像差估计器还适于对差分相位值进行积分，以在空间频率的范围内产生绝对相位。
9.根据权利要求8所述的超声成像系统，其中，所述相位像差估计器还适于沿时间频率对所述绝对相位求平均。
10.根据权利要求9所述的超声成像系统，其中，所述相位像差估计器还适于使用所述绝对相位来移除所述角度谱的相位。
11.根据权利要求7所述的超声成像系统，其中，所述相位像差估计器还适于计算所述像场中不同深度处的点之间的差分相位。
12.根据权利要求11所述的超声成像系统，其中，所述相位像差估计器还适于计算所述像场中的相同横向位置但不同深度处的点之间的差分相位。
13.根据权利要求11所述的超声成像系统，其中，所述相位像差估计器还适于使用最小均方估计器来拟合所述差分相位，以找到所述相位的局部曲率。
14.根据权利要求13所述的超声成像系统，其中，所述相位像差估计器还适于借助于查找表来将所述差分相位值转换为颜色值。
15.根据权利要求14所述的超声成像系统，其中，所述相位像差估计器还适于形成所述颜色值的颜色图用于显示。
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