CN112120734B - 血流方向的多普勒频谱生成方法、装置及相关设备 - Google Patents

血流方向的多普勒频谱生成方法、装置及相关设备 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种血流方向的多普勒频谱生成方法，所述血流方向的多普勒频谱生成方法包括利用超声换能器通过多条扫描线向目标点发射超声波，得到多条所述扫描线对应的多普勒IQ信号；根据所述多普勒IQ信号确定所述多条扫描线方向的多普勒频谱；根据所述多条扫描线方向的多普勒频谱计算实际血流方向；基于所述实际血流方向对所述多条扫描线方向的多普勒频谱进行校正和加权合并，得到实际血流方向的多普勒频谱。本申请能够提高血流方向多普勒频谱的扫描精度。本申请还公开了一种血流方向的多普勒频谱生成装置、一种存储介质及一种超声成像设备，具有以上有益效果。

Description

血流方向的多普勒频谱生成方法、装置及相关设备
技术领域
本申请涉及超声成像技术领域，特别涉及一种血流方向的多普勒频谱生成方法、装置、一种超声成像设备及一种存储介质。
背景技术
血管内超声技术通过换能器实现血管内血液的超声成像。超声波从换能器表面沿着扫描线传输到达血流，经血红蛋白分子反射后又沿扫描线回到原点，进而可以得到血流在扫描线方向上的流动速度。
在实际应用中，由于无法确定被测部位的血液流动方向，若超声波所在的扫描线方向与实际血液流动方向存在一定的夹角，根据反射的超声波确定的血液流动速度为实际血液流动速度在夹角方向上的垂直投影分速度。为了提高血流方向多普勒频谱的检测精度，相关技术中往往需要用户手动调节扫描线方向，但是由于手动调节扫描线方向得到的多普勒频谱准确度依赖用户操作的精准度，仍无法准确扫描血流方向的多普勒频谱。
因此，如何提高血流方向多普勒频谱的扫描精度是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种血流方向的多普勒频谱生成方法、装置、一种超声成像设备及一种存储介质，能够提高血流方向多普勒频谱的扫描精度。
为解决上述技术问题，本申请提供一种血流方向的多普勒频谱生成方法，该血流方向的多普勒频谱生成方法包括：
利用超声换能器通过多条扫描线向目标点发射超声波，得到多条所述扫描线对应的多普勒IQ信号；
根据所述多普勒IQ信号确定所述多条扫描线方向的多普勒频谱；
根据所述多条扫描线方向的多普勒频谱计算实际血流方向；
基于所述实际血流方向对所述多条扫描线方向的多普勒频谱进行校正和加权合并，得到实际血流方向的多普勒频谱。
可选的，基于所述实际血流方向对所述多条扫描线方向的多普勒频谱进行校正和加权合并，得到实际血流方向的多普勒频谱，包括：
基于所述实际血流方向确定所述多条扫描线方向的多普勒频谱中所有频率采样点的速度；
按照横坐标尺度一致的原则对所述多条扫描线方向的多普勒频谱进行横坐标校正，对横坐标校正后的多条扫描线方向的多普勒频谱加权合并，得到所述实际血流方向的多普勒频谱。
可选的，根据所述多条扫描线方向的多普勒频谱计算实际血流方向，包括：
根据所述多条扫描线方向的多普勒频谱确定血流分速度；其中，所述血流分速度为实际血流速度在所述扫描线方向上的垂直投影分速度；
根据所述多条扫描线方向对应的血流分速度与实际血流速度之间的投影关系建立实际血流速度的计算方程组，根据所述计算方程组确定所述实际血流方向。
可选的，根据所述多条扫描线方向的多普勒频谱确定血流分速度，包括：
将所述扫描线方向的多普勒频谱中每一采样点的频谱幅度X(k)作为加权系数计算频偏fd；其中，
Figure BDA0002733640650000021
PRF为脉冲重复频率，N为所述多普勒IQ信号在时间域的采样点数，k为频率域上的采样点；
利用速度计算公式确定每一所述扫描线方向的血流分速度v；其中，所述速度计算公式为
Figure BDA0002733640650000022
c为声速，f0为超声波发射频率。
可选的，根据所述多条扫描线方向对应的血流分速度与实际血流速度之间的投影关系建立实际血流速度的计算方程组，根据所述计算方程组确定所述实际血流方向，包括：
从所述多条扫描线中选取第一扫描线和第二扫描线；其中，所述第一扫描线的血流分速度为v1，所述第二扫描线的血流分速度为v2；
根据所述第一扫描线和所述第二扫描线对应的血流分速度与实际血流速度之间的投影关系与实际血流速度之间的投影关系建立所述实际血流速度的计算方程组，联合所述计算方程组得到第一角度关系式；其中，所述第一角度关系式为
Figure BDA0002733640650000031
θ0为所述实际血流速度所在方向与所述预设垂线的夹角，θ1为所述第一扫描线对应的血流分速度所在方向与预设垂线的夹角，θ2为所述第二扫描线对应的血流分速度所在方向与所述预设垂线的夹角，所述预设垂线为与所述超声换能器垂直且经过所述目标点的线；
求解所述第一角度关系式得到所述实际血流方向。
可选的，基于所述实际血流方向对所述多条扫描线方向的多普勒频谱进行校正和加权合并，得到实际血流方向的多普勒频谱，包括：
按照横坐标尺度一致的原则对所述第一扫描线方向和第二扫描线方向的多普勒频谱进行横坐标校正；
根据加权公式对横坐标校正后的所述第一扫描线方向和所述第二扫描线方向的多普勒频谱进行加权合并，得到所述实际血流方向的多普勒频谱X(v)；
其中，所述加权公式为X(v)＝A×|X1(k1)|+(1-A)×|X2(k2)|，A为所述第一扫描线的权重值，(1-A)为所述第二扫描线的权重值，X1(k1)为所述第一扫描线方向的多普勒频谱，X2(k2)为所述第二扫描线方向的多普勒频谱，所述第一扫描线和所述第二扫描线的权重值根据扫描线所在方向与实际血流方向的夹角确定。
可选的，根据所述多条扫描线方向对应的血流分速度与实际血流速度之间的投影关系建立实际血流速度的计算方程组，根据所述计算方程组确定所述实际血流方向，包括：
当所述扫描线的数量大于2时，确定多个扫描线组合；其中，每一扫描线组合包括两条扫描线；
根据所述扫描线组合中扫描线对应的血流分速度与实际血流速度之间的投影关系与实际血流速度之间的投影关系建立所述实际血流速度的计算方程组，联合所述计算方程组得到第二角度关系式；其中，所述第二角度关系式为
Figure BDA0002733640650000032
vx和vy为所述扫描线组合中两条扫描线所在方向的血流分速度，θi为所述实际血流速度所在方向与所述预设垂线的夹角，θx和θy为所述扫描线组合中两条扫描线对应的血流分速度所在方向与预设垂线的夹角，所述预设垂线为与所述超声换能器垂直且经过所述目标点的线；
求解所有所述扫描线组合对应的第二角度关系式得到多个θi，并根据所有θi的平均值确定所述实际血流方向。
可选的，在根据所述多条扫描线方向的多普勒频谱计算实际血流方向之后，还包括：
根据所述实际血流方向调整所述超声换能器的超声波发射角度，并向所述目标点发射超声波；
根据返回的超声波生成血管内血液的超声成像结果。
本申请还提供了一种血流方向的多普勒频谱生成装置，该血流方向的多普勒频谱生成装置包括：
超声收发模块，用于利用超声换能器通过多条扫描线向目标点发射超声波，得到多条所述扫描线对应的多普勒IQ信号；
频谱确定模块，用于根据所述多普勒IQ信号确定多条扫描线方向的多普勒频谱；
血流方向确定模块，用于根据所述多条扫描线方向的多普勒频谱计算实际血流方向；
频谱生成模块，用于基于所述实际血流方向对所述多条扫描线方向的多普勒频谱进行校正和加权合并，得到实际血流方向的多普勒频谱。
本申请还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时实现上述血流方向的多普勒频谱生成方法执行的步骤。
本申请还提供了一种超声成像设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现上述血流方向的多普勒频谱生成方法执行的步骤。
本申请提供了一种血流方向的多普勒频谱生成方法，包括：利用超声换能器通过多条扫描线向目标点发射超声波，得到多条所述扫描线对应的多普勒IQ信号；根据所述多普勒IQ信号确定所述多条扫描线方向的多普勒频谱；根据所述多条扫描线方向的多普勒频谱计算实际血流方向；基于所述实际血流方向对所述多条扫描线方向的多普勒频谱进行校正和加权合并，得到实际血流方向的多普勒频谱。
本申请通过多条扫描线向目标点发射超声波，得到多条扫描线对应的多普勒IQ信号。由于扫描线与实际血流速度方向存在夹角，扫描线方向的多普勒频谱可以用于表示实际血流速度在扫描线上的分速度，因此可以根据多条扫描线方向的多普勒频谱计算实际血流方向。本申请根据实际血流方向将扫描线方向的多普勒频谱进行加权合并实现频谱方向校正，得到实际血流方向的多普勒频谱。本申请无需手动调节扫描线方向，可以自动确定实际血流方向，提高了血流方向多普勒频谱的扫描精度。本申请同时还提供了一种血流方向的多普勒频谱生成装置、一种超声成像设备和一种存储介质，具有上述有益效果，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例所提供的一种血流方向的多普勒频谱生成方法的流程图；
图2为本申请实施例所提供的一种超声换能器通过两条扫描线发射超声波的示意图；
图3为本申请实施例所提供的一种脉冲多普勒超声系统信号处理流程图；
图4为本申请实施例所提供的一种发送和接收超声波的时间序列示意图；
图5为本申请实施例所提供的一种多普勒频谱的生成方法的流程图；
图6为本申请实施例所提供的一种多普勒频谱示意图；
图7为本申请实施例所提供的一种双扫描线的多普勒频谱扫描示意图；
图8为本申请实施例所提供的一种多普勒频谱加权合并示意图；
图9为本申请实施例所提供的一种血流方向的多普勒频谱生成装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
下面请参见图1，图1为本申请实施例所提供的一种血流方向的多普勒频谱生成方法的流程图。
具体步骤可以包括：
S101：利用超声换能器通过多条扫描线向目标点发射超声波，得到多条所述扫描线对应的多普勒IQ信号。
其中，本实施例可以利用超声换能器通过M条扫描线同时向目标点发射超声波，本实施例中M为大于或等于2的任意整数。请参见图2，图2为本申请实施例所提供的一种超声换能器通过两条扫描线发射超声波的示意图，超声换能器通过Line1和Line2向目标点分别发射两束超声波。
具体的，请参见图3，图3为本申请实施例所提供的一种脉冲多普勒超声系统信号处理流程图，超声换能器沿每条扫描线向目标点发生超声波得到多普勒IQ信号(即多普勒回波信号)的过程如下：TX beamforming(发射波束形成)模块产生发射波束，并以PRF(Pulse Repeation Time，脉冲重复时间)的频率输出超声脉冲给探头(Probe)施加激励，然后探头上的换能器阵元接收返回的超声波，传递给RX Beamforming(接收波束形成)模块进行波束合成得到接收波束，然后进行正交解调及信号抽取，每个采样容积只合成一个数据点，每条扫描线只有一个采样容积。这样从时间上连续不间断地重复上述的过程，就得到数据率为PRF的多普勒IQ信号。在本实施例向目标点发射超声波的过程中，可以对同一条扫描线进行的以PRF为脉冲重复频率的扫描，请参见图4，图4为本申请实施例所提供的一种发送和接收超声波的时间序列示意图，PRF指一秒内对同一条扫描线进行重复扫描的次数。
以图2所示的超声波发射方式为例，超声系统对可以Line1、Line2依次进行多普勒扫描，依次得到多普勒IQ信号。循环进行Line1的发射超声波、Line1接收并处理超声波、Line2的发射超声波、Line2接收并处理超声波。同一条扫描线相邻两次发射超声波的时间间隔为PRT(Pulse Repeat Time，脉冲重复周期)，即PRF(Pulse Repeat Frequency)的倒数。
S102：根据多普勒IQ信号确定多条扫描线方向的多普勒频谱。
其中，本实施例可以得到M条扫描线对应的多普勒IQ信号，进而可以通过对每条扫描线对应的多普勒IQ信号进行壁滤波、离散傅立叶变换等操作得到每条扫描线方向的多普勒频谱。
S103：根据多条扫描线方向的多普勒频谱计算实际血流方向。
其中，根据扫描线方向的多普勒频谱确定的血流速度为实际血流速度在扫描线方向上的垂直投影分速度，因此本实施例可以根据所述多条扫描线方向的多普勒频谱确定多个血流分速度；根据多条扫描线方向对应的血流分速度与实际血流速度之间的投影关系建立实际血流速度的计算方程组，根据所述计算方程组确定所述实际血流方向。
S104：基于实际血流方向对多条扫描线方向的多普勒频谱进行校正和加权合并，得到实际血流方向的多普勒频谱。
其中，在得到实际血流方向的基础上，本实施例可以选取任意两条以上扫描线方向的多普勒频谱进行加权合并，得到实际血流方向的多普勒频谱。可以理解的是，S104中参与校正和加权合并的扫描线可以为S101中提到的所有扫描线或部分扫描线。参与加权合并计算的扫描线方向的多普勒频谱均有其对应的权重值，该权重值可以根据多普勒频谱的信号质量确定。多普勒频谱的校正和加权合并操作可以为使相同横坐标对应的频谱幅值进行叠加，基于血流的实际方向对频谱进行校正得到实际血流方向的多普勒频谱。实际血流方向的多普勒频谱相当于超声换能器沿与实际血流方向相同的扫描线发射并接收超声波得到的多普勒频谱，根据实际血流方向的多普勒频谱可以确定实际血流方向的血流速度。在得到实际血流方向的多普勒频谱的基础上，可以将实际血流方向的多普勒频谱中幅值最大的采样点对应的速度作为所述实际血流速度。
本实施例通过多条扫描线向目标点发射超声波，得到多条扫描线对应的多普勒IQ信号。由于扫描线与实际血流速度方向存在夹角，扫描线方向的多普勒频谱可以用于表示实际血流速度在扫描线上的分速度，因此可以根据多条扫描线方向的多普勒频谱计算实际血流方向。本实施例根据实际血流方向将扫描线方向的多普勒频谱进行加权合并实现频谱方向校正，得到实际血流方向的多普勒频谱。本实施例无需手动调节扫描线方向，可以自动确定实际血流方向，提高了血流方向多普勒频谱的扫描精度。
请参见图5，图5为本申请实施例所提供的一种多普勒频谱的生成方法的流程图，本实施例是对图1对应实施例中S102的进一步介绍，可以将本实施例与图1对应的实施例相结合得到进一步的实施方式，本实施例可以包括以下步骤：
S201：对多普勒IQ信号进行壁滤波和离散傅立叶变换得到每条扫描线对应的N点频谱信号。
其中，通过对多普勒IQ信号进行壁滤波可以将0频偏的频谱分量进行滤除，即：对静止不动的对象不予以显示。离散傅立叶变换即DFT(Discrete Fourier Transform)频谱计算，离散傅立叶变换的周期为N。在时间域上N为多普勒IQ信号的采样点数，频率域上N为用于分析的频率离散点数。多普勒IQ信号的采样率为脉冲重复频率PRF。离散傅立叶变换的目的是对采样的N点离散复信号进行频谱分析，离散傅立叶变换的结果是频率范围为0～PRF的N点频率离散点的频谱幅度和相位。N的取值可以选择2的幂函数，如64、128、256，具体取哪个值合适根据生理信号的动态响应频率来定，频率越大则N取值越小。如对于心脏部位，其动态响应周期基本就是心跳脉搏，为了快速采集并展示这种快速跳动的信号，N可以为64或128等偏小的值。
其中，多普勒IQ信号可以为x(n)＝I(n)+jQ(n)，N点频谱信号可以为X(k)＝DFT(x(n),N)。上式中，x(n)为每条扫描线在血流采样容积内采样到的多普勒IQ信号，n为采样点序号。I(n)为复信号的实部，Q(n)为复信号的虚部，j是复数中的虚部标识因子，其定义为j2＝-1。DFT为离散傅立叶函数，DFT包括以下两个变量：输入的多普勒IQ信号和周期N。
S202：将N点频谱信号显示为一维波形图。
其中，本实施例可以将N点频谱信号进行1维波形进行显示得到一维波形图，一维波形图的纵坐标为频谱幅度，横坐标为频偏。一维波形图的幅值(对应图像上的亮度)与该点频谱幅度或频谱幅度的Log变换成正比。
S203：根据频偏与速度的比例关系将一维波形图转换为所述多普勒频谱。
其中，由于在多普勒超声系统中，用户更关注的是血流速度，而频偏与血流速度成正比，可以将一维波形图横坐标用速度来表示得到多普勒频谱。在多普勒频谱中对于N点X(k)可以在1维波形上用(v(k),abs(X(k)))进行表示，v(k)是速度，横坐标abs(X(k))是傅立叶变换后的频谱幅度，abs表示绝对值。
具体的，本实施例中S203可以包括以下步骤：
S2031：根据频偏与速度的比例关系将所述一维波形图转换为所述一维的目标多普勒频谱；其中，所述目标多普勒频谱的横坐标为速度，所述目标多普勒频谱的纵坐标为频谱幅度的绝对值。
S2032：将所述目标多普勒频谱在目标图像中显示为目标像素；其中，所述目标图像包括多列像素，所述目标像素的列数与所述多普勒IQ信号的采样时刻相关，所述目标像素的列坐标为所述目标多普勒频谱的速度，所述目标像素的灰度值根据所述目标多普勒频谱的频谱幅度确定。
S2033：若接收到新的多普勒IQ信号，则进入S2031。
S2034：判断所述目标图像中已显示的像素列数是否大于或等于预设列数；若是，则进入S2035；若否，则等待接收到新的多普勒IQ信号；
S2035：将所述目标图像作为所述扫描线方向的多普勒频谱。
举例说明上述过程：对所述多普勒IQ信号进行壁滤波和离散傅立叶变换得到当前时刻对应的N点频谱信号；确定所述N点频谱信号一维波形图；根据频偏与速度的比例关系将所述第一波形图转换为所述一维多普勒频谱；将上述一维多普勒频谱在目标图像上显示为第1列像素，像素的列坐标为速度，像素的灰度为频谱幅度。继续对下一时刻对应的N点IQ信号进行同样的处理，得到第2列像素。如此不断重复下去，得到第3、4、…M列图像，这样得到二维的扫描线方向的多普勒频谱(即目标图像)。二维频谱图的纵坐标为速度，横坐标为时间，频谱图像素的灰度值为频谱幅度。上述的M为目标图像的最大列数。当第M+1列数据来临时，可以将第M+1列数据替换第1列数据，M+2列数据来临时，可以将第M+2列数据替换第2列数据，……，以此类推直至退出生成扫描线方向的多普勒频谱的操作流程。
作为对于图1对应实施例的进一步介绍，可以通过以下方式确定实际血流方向：根据所述多条扫描线方向的多普勒频谱确定血流分速度；根据所述多条扫描线方向对应的血流分速度与实际血流速度之间的投影关系建立实际血流速度的计算方程组，根据所述计算方程组确定所述实际血流方向。其中，上述血流分速度为实际血流速度在所述扫描线方向上的垂直投影分速度，在实际计算中可以上述提到的血流分速度和实际血流速度可以为利用多普勒频谱得到的平均速度。此处提出平均速度的概念，是因为对于具有一定横截面的血管而言，其速度在横截面上的分布并非是恒定的，而是一般呈现为中间高周围低的特点，但作为整体而言可以用平均速度来描述。在频谱分析时就会得到各个速度分量的能量分布，能量越高的速度越趋向于平均速度。
以图2对应的中提到的多普勒频谱为例，说明确定血流分速度的过程：
(v(k),abs(X(k)))中k的取值范围是0～N-1，v与k的对应关系，首先v与频偏fd成正比，根据多普勒频偏公式
Figure BDA0002733640650000101
(该公式中θ′为血流与扫描线的夹角)可知：而对于频率域第k个采样点，所代表的频率即频偏fd如下式：
Figure BDA0002733640650000102
展开后公式为：
Figure BDA0002733640650000103
这样横坐标速度范围为
Figure BDA0002733640650000104
为了方便描述可以取k＝N作为最大速度范围，即：
Figure BDA0002733640650000105
由上可知，血流速度v的取值范围为[0,+Vmax)。在N点速度范围内，横坐标对应的abs(X(k))幅度值最大处k所代表的速度为血流速度。请参见图6，图6为本申请实施例所提供的一种多普勒频谱示意图，图6中幅度值的绝对值最大的位置的v为血流分速度。
下面提供两种确定所述实际血流方向的方案：
方案A：
步骤A1：当所述扫描线的数量大于2时，确定多个扫描线组合。
其中，每一扫描线组合包括两条扫描线；
步骤A2：根据所述扫描线组合中扫描线对应的血流分速度与实际血流速度之间的投影关系与实际血流速度之间的投影关系建立所述实际血流速度的计算方程组，联合所述计算方程组得到第二角度关系式。
其中，所述第二角度关系式为
Figure BDA0002733640650000106
vx和vy为所述扫描线组合中两条扫描线所在方向的血流分速度，θi为所述实际血流速度所在方向与所述预设垂线的夹角，θx和θy为所述扫描线组合中两条扫描线对应的血流分速度所在方向与预设垂线的夹角，所述预设垂线为与所述超声换能器垂直且经过所述目标点的线。
步骤A3：求解所有所述扫描线组合对应的第二角度关系式得到多个θi，并根据所有θi的平均值确定所述实际血流方向。
方案B：
步骤B1：从所述多条扫描线中选取第一扫描线和第二扫描线。
其中，所述第一扫描线的血流分速度为v1，所述第二扫描线的血流分速度为v2。
步骤B2：根据所述第一扫描线和所述第二扫描线对应的血流分速度与实际血流速度之间的投影关系与实际血流速度之间的投影关系建立所述实际血流速度的计算方程组，联合所述计算方程组得到第一角度关系式。
其中，所述第一角度关系式为
Figure BDA0002733640650000111
θ0为所述实际血流速度所在方向与所述预设垂线的夹角，θ1为所述第一扫描线对应的血流分速度所在方向与预设垂线的夹角，θ2为所述第二扫描线对应的血流分速度所在方向与所述预设垂线的夹角，所述预设垂线为与所述超声换能器垂直且经过所述目标点的线。
步骤B3：求解所述第一角度关系式得到所述实际血流方向。
当然，在上述实施方式中可以利用以下公式计算所述第一扫描线方向的多普勒频谱中所有频率采样点的速度v1(k)，以及第二扫描线方向的多普勒频谱中所有频率采样点的速度v2(k)：
Figure BDA0002733640650000112
Figure BDA0002733640650000113
在得到第一扫描线方向和所述第二扫描线方向的多普勒频谱的基础上，本实施例还可以按照横坐标尺度一致的原则对所述第一扫描线方向和第二扫描线方向的多普勒频谱进行横坐标校正；根据加权公式对横坐标校正后的所述第一扫描线方向和所述第二扫描线方向的多普勒频谱进行加权合并，得到所述实际血流方向的多普勒频谱X(v)；其中，所述加权公式为X(v)＝A×|X1(k1)|+(1-A)×|X2(k2)|，A为所述第一扫描线的权重值，(1-A)为所述第二扫描线的权重值，X1(k1)为所述第一扫描线方向的多普勒频谱，X2(k2)为所述第二扫描线方向的多普勒频谱，所述第一扫描线和所述第二扫描线的权重值根据扫描线所在方向与实际血流方向的夹角确定。具体的，频谱显示时两个扫描线的权重可以根据各自的信号质量来调整权重，而不是固定地各取0.5。对于PW(超声的脉冲多普勒)频谱而言，可以预知扫描线与血流方向的夹角的绝对值越接近于90度，其频谱质量越差，则可以取其权重则越小，但两条线的权重之和应为1。
请参见图7，图7为本申请实施例所提供的一种双扫描线的多普勒频谱扫描示意图，图7中两条扫描线对同一个目标点(采样容积)进行扫描，以便得到多普勒频谱图像。在图7所示的图像界面上，Line1、Line2处于交叉状态，交叉点就是被测的血流采样容积位置。设实际血流速度为v0，其与探头表面垂线的夹角为θ0。这里探头表面垂线的定义为探头几何中心线，对于线阵来说是阵元阵列的中间沿外拉出一条与探头表现的垂直线；对于凸阵而言，则是凸面圆心到凸面弧线中心位置的连线。Line1与垂线的夹角为θ1，Line2与垂线的夹角为θ2。图7中的角度θ0、θ1和θ2均为标量，左为负，右为正。让超声系统分别以Line1、Line2方向对该采样点进行多普勒扫描，根据上述的多普勒频偏公式，则分别得到v0在这两条扫描线方向上的投影速度，即图中的平均血流分速度v1、v2如下计算方程组所示：
Figure BDA0002733640650000121
在上面的计算方程组中，平均血流分速度v1、v2可以直接算出，θ1、θ2可以由软件系统根据用户移动Line1、Line2的方向及交点计算出来，只有v0、θ0是未知量。这样构成了组成了二元二式方程组，可以得到θ0的解如下式：
Figure BDA0002733640650000122
上述公式的v1、v2可以认为是一个平均速度，根据经过DFT变换得到的脉冲重复频率范围内多个频偏所对应的能量分布图可以得出v1和v2。因此对脉冲多普勒图像有意义的是计算出来血流与扫描的夹角，然后根据夹角对频谱的量程进行准确校正。
作为对于图1对应实施例的进一步介绍，在得到实际血流方向的基础上，可以基于所述实际血流方向确定所述多条扫描线方向的多普勒频谱中所有频率采样点的速度；按照横坐标尺度一致的原则对所述多条扫描线方向的多普勒频谱进行横坐标校正，对横坐标校正后的多条扫描线方向的多普勒频谱加权合并，得到所述实际血流方向的多普勒频谱。
举例说明本实施例中按照横坐标尺度一致的原则进行加权合并的过程，例如通过扫描线Line1、扫描线Line2向目标点发射超声波。Line1的DFT频谱过程如下式所示：
Figure BDA0002733640650000131
同理，Line2的DFT频谱过程如下式所示：
Figure BDA0002733640650000132
X1、X2频谱幅度最大处所对应的频点就是频偏。不过为了提高计算结果的鲁棒性，本实施例将所述扫描线方向的多普勒频谱中每一采样点的频谱幅度X(k)作为加权系数计算频偏fd；其中，
Figure BDA0002733640650000133
PRF为脉冲重复频率，N为所述多普勒IQ信号在时间域的采样点数，k为频率域上的采样点；利用速度计算公式确定每一所述扫描线方向的血流分速度v；其中，所述速度计算公式为
Figure BDA0002733640650000134
c为声速，f0为超声波发射频率。具体过程如下：
Figure BDA0002733640650000135
Figure BDA0002733640650000136
根据前面的推导，可以得出血流平均速度v0分别在line1、line2上的投影v1、v2为如下计算：
Figure BDA0002733640650000141
那么根据上文提到的公式可以计算出血流与垂线的夹角，如下式：
Figure BDA0002733640650000142
进而可以计算实际血流方向与line1、Line2的夹角分别为θ0-θ1、θ0-θ2。
v1、v2的最大速度分别如下式：
Figure BDA0002733640650000143
每个k做代表的速度分别如下：
Figure BDA0002733640650000144
将上述每个k所代表的v作为横坐标，每个X(k)的幅度作为像素点的亮度，则得到2条一维谱线。将两条扫描线得到的谱线按照横坐标尺度一致的原则，进行加权得到新的一维谱线。即对于相同的速度v，其在扫描线Line1、扫描线Line2所对应的k值分别为k1、k2，其加权系数分别为A，1-A(A为line1的权重值，0≤A≤1，1-A为line2的权重值)，可以得到以下等式：
Figure BDA0002733640650000145
故，速度v处的谱线幅度为：
X(v)＝A×|X1(k1)|+(1-A)×|X2(k2)|；
对于平均加权(A＝0.5的情况)，则谱线幅度为：
Figure BDA0002733640650000146
请参见图8，图8为本申请实施例所提供的一种多普勒频谱加权合并示意图，如图8所示，根据上述计算出来的v1(k)作为横坐标，X1(k)最为纵坐标，画出第一条一维谱线[v1,abs(X1)]。然后根据同样的原理，画出第二条一维谱线[v2,abs(X2)]。从速度横坐标看，两条一维谱线出现幅度最大的地方一定是差不多相同的，即分别出现在v1＝v0及v2＝v0处或者附近(在附近是因为系统测量的误差的影响)。但是这两条谱线的横坐标的最大值可能是不同的，即V1max与V2max存在差别(其原因在于血流分速度与扫描线的夹角相关)本实施例可以把这两条一维谱线，加权合并成一条新的一维谱线(即实际血流方向的多普勒频谱)。在加权合并的过程中可以根据每条扫描线的权重值进行计算，当使用平均加权方法进行合并时，可以在速度横坐标相同点处，各取0.5的权重得到实际血流方向的多普勒频谱。
作为一种可行的实施方式，在根据所述血流分速度计算扫描夹角之后，还可以根据所述扫描夹角调整所述超声换能器的超声波发射角度，并向所述目标点发射超声波；根据返回的超声波生成血管内血液的超声成像结果。生成超声成像结果即频谱显示过程，可以在时间上连续采样N点多普勒IQ信号进行上述的处理过程得到若干组一维波形的基础上，把这若干组一维波形变成2维矩阵数据组，并用灰度图像显示，进而得到随时间变化的多普勒频谱。
进一步的，在超声系统的图像界面控制上，还可以根据一定策略(如在软件界面上显示扫描线的起始位置、扫描线的角度、血流采样容积的位置，以及机器限制扫描线起始位置的边界)让用户调节每条扫描线的起始位置以及交点位置，同时尽量避免让扫描线与血流方向成直角和避免让扫描线靠近探头边沿。前者会导致频谱信号质量过低，后者会导致扫描线孔径残缺不全。
请参见图9，图9为本申请实施例所提供的一种血流方向的多普勒频谱生成装置的结构示意图；
该装置可以包括：
超声收发模块100，用于利用超声换能器通过多条扫描线向目标点发射超声波，得到多条所述扫描线对应的多普勒IQ信号；
频谱确定模块200，用于根据所述多普勒IQ信号确定多条扫描线方向的多普勒频谱；
血流方向确定300，用于根据所述多条扫描线方向的多普勒频谱计算实际血流方向；
频谱生成模块400，用于基于所述实际血流方向对所述多条扫描线方向的多普勒频谱进行校正和加权合并，得到实际血流方向的多普勒频谱。
本实施例通过多条扫描线器向目标点发射超声波，得到多条扫描线对应的多普勒IQ信号。由于扫描线与实际血流速度方向存在夹角，扫描线方向的多普勒频谱可以用于表示实际血流速度在扫描线上的分速度，因此可以根据多条扫描线方向的多普勒频谱计算实际血流方向。本实施例根据实际血流方向将扫描线方向的多普勒频谱进行加权合并实现频谱方向校正，得到实际血流方向的多普勒频谱。本实施例无需手动调节扫描线方向，可以自动确定实际血流方向，提高了血流方向多普勒频谱的扫描精度。
进一步的，频谱生成模块400，包括：
速度确定单元，用于基于所述实际血流方向确定所述多条扫描线方向的多普勒频谱中所有频率采样点的速度；
加权单元，用于按照横坐标尺度一致的原则对所述多条扫描线方向的多普勒频谱进行横坐标校正，对横坐标校正后的多条扫描线方向的多普勒频谱加权合并，得到所述实际血流方向的多普勒频谱。
进一步的，血流方向确定模块300包括：
分速度确定单元，用于根据所述多条扫描线方向的多普勒频谱确定血流分速度；其中，所述血流分速度为实际血流速度在所述扫描线方向上的垂直投影分速度；
实际血流方向计算单元，用于根据所述多条扫描线方向对应的血流分速度与实际血流速度之间的投影关系建立实际血流速度的计算方程组，根据所述计算方程组确定所述实际血流方向。
可选的，分速度确定单元包括：
频偏计算子单元，用于将所述扫描线方向的多普勒频谱中每一采样点的频谱幅度X(k)作为加权系数计算频偏fd；其中，
Figure BDA0002733640650000171
PRF为脉冲重复频率，N为所述多普勒IQ信号在时间域的采样点数，k为频率域上的采样点；
分速度计算子单元，用于利用速度计算公式确定每一所述扫描线方向的血流分速度v；其中，所述速度计算公式为
Figure BDA0002733640650000172
c为声速，f0为超声波发射频率。
进一步的，所述实际血流方向计算单元包括：
扫描线选取子单元，用于从所述多条扫描线中选取第一扫描线和第二扫描线；其中，所述第一扫描线的血流分速度为v1，所述第二扫描线的血流分速度为v2；
第一关系确定子单元，用于根据所述第一扫描线和所述第二扫描线对应的血流分速度与实际血流速度之间的投影关系与实际血流速度之间的投影关系建立所述实际血流速度的计算方程组，联合所述计算方程组得到第一角度关系式；其中，所述第一角度关系式为
Figure BDA0002733640650000173
θ0为所述实际血流速度所在方向与所述预设垂线的夹角，θ1为所述第一扫描线对应的血流分速度所在方向与预设垂线的夹角，θ2为所述第二扫描线对应的血流分速度所在方向与所述预设垂线的夹角，所述预设垂线为与所述超声换能器垂直且经过所述目标点的线；
第一关系式求解模块，用于求解所述第一角度关系式得到所述实际血流方向。
进一步的，频谱生成模块400包括：
校正单元，用于按照横坐标尺度一致的原则对所述第一扫描线方向和第二扫描线方向的多普勒频谱进行横坐标校正；
加权单元，用于根据加权公式对横坐标校正后的所述第一扫描线方向和所述第二扫描线方向的多普勒频谱进行加权合并，得到所述实际血流方向的多普勒频谱X(v)；
其中，所述加权公式为X(v)＝A×|X1(k1)|+(1-A)×|X2(k2)|，A为所述第一扫描线的权重值，(1-A)为所述第二扫描线的权重值，X1(k1)为所述第一扫描线方向的多普勒频谱，X2(k2)为所述第二扫描线方向的多普勒频谱，所述第一扫描线和所述第二扫描线的权重值根据扫描线所在方向与实际血流方向的夹角确定。
进一步的，所述实际血流方向计算单元包括：
扫描线组合确定子单元，用于当所述扫描线的数量大于2时，确定多个扫描线组合；其中，每一扫描线组合包括两条扫描线；
第二关系确定子单元，根据所述扫描线组合中扫描线对应的血流分速度与实际血流速度之间的投影关系与实际血流速度之间的投影关系建立所述实际血流速度的计算方程组，联合所述计算方程组得到第二角度关系式；其中，所述第二角度关系式为
Figure BDA0002733640650000181
vx和vy为所述扫描线组合中两条扫描线所在方向的血流分速度，θi为所述实际血流速度所在方向与所述预设垂线的夹角，θx和θy为所述扫描线组合中两条扫描线对应的血流分速度所在方向与预设垂线的夹角，所述预设垂线为与所述超声换能器垂直且经过所述目标点的线；
第二关系式求解模块，用于求解所有所述扫描线组合对应的第二角度关系式得到多个θi，并根据所有θi的平均值确定所述实际血流方向。
可选的，还包括：
角度调整模块，用于在根据所述多条扫描线方向的多普勒频谱计算实际血流方向之后，根据所述实际血流方向调整所述超声换能器的超声波发射角度，并向所述目标点发射超声波；
成像模块，用于根据返回的超声波生成血管内血液的超声成像结果。
由于装置部分的实施例与方法部分的实施例相互对应，因此装置部分的实施例请参见方法部分的实施例的描述，这里暂不赘述。
本申请还提供了一种存储介质，其上存有计算机程序，该计算机程序被执行时可以实现上述实施例所提供的步骤。该存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本申请还提供了一种超声成像设备，可以包括存储器和处理器，所述存储器中存有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时，可以实现上述实施例所提供的步骤。当然所述超声成像设备还可以包括各种网络接口，电源等组件。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (9)

1.一种血流方向的多普勒频谱生成方法，其特征在于，包括：
利用超声换能器通过多条扫描线向目标点发射超声波，得到多条所述扫描线对应的多普勒IQ信号；
根据所述多普勒IQ信号确定所述多条扫描线方向的多普勒频谱；
根据所述多条扫描线方向的多普勒频谱计算实际血流方向；
基于所述实际血流方向对所述多条扫描线方向的多普勒频谱进行校正和加权合并，得到实际血流方向的多普勒频谱；
其中，根据所述多条扫描线方向的多普勒频谱计算实际血流方向，包括：
根据所述多条扫描线方向的多普勒频谱确定血流分速度；其中，所述血流分速度为实际血流速度在所述扫描线方向上的垂直投影分速度；
根据所述多条扫描线方向对应的血流分速度与实际血流速度之间的投影关系建立实际血流速度的计算方程组，根据所述计算方程组确定所述实际血流方向；
其中，根据所述多条扫描线方向的多普勒频谱确定血流分速度，包括：
将所述扫描线方向的多普勒频谱中每一采样点的频谱幅度
Figure DEST_PATH_IMAGE002
作为加权系数计算频偏fd；其中，fd=
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为脉冲重复频率，N为所述多普勒IQ信号在时间域的采样点数，k为频率域上的采样点；
利用速度计算公式确定每一所述扫描线方向的血流分速度v；其中，所述速度计算公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，c为声速，f0为超声波发射频率。
2.根据权利要求1所述血流方向的多普勒频谱生成方法，其特征在于，基于所述实际血流方向对所述多条扫描线方向的多普勒频谱进行校正和加权合并，得到实际血流方向的多普勒频谱，包括：
基于所述实际血流方向确定所述多条扫描线方向的多普勒频谱中所有频率采样点的速度；
按照横坐标尺度一致的原则对所述多条扫描线方向的多普勒频谱进行横坐标校正，对横坐标校正后的多条扫描线方向的多普勒频谱加权合并，得到所述实际血流方向的多普勒频谱。
3.根据权利要求1所述血流方向的多普勒频谱生成方法，其特征在于，根据所述多条扫描线方向对应的血流分速度与实际血流速度之间的投影关系建立实际血流速度的计算方程组，根据所述计算方程组确定所述实际血流方向，包括：
从所述多条扫描线中选取第一扫描线和第二扫描线； 其中，所述第一扫描线的血流分速度为v1，所述第二扫描线的血流分速度为v2；
根据所述第一扫描线和所述第二扫描线对应的血流分速度与实际血流速度之间的投影关系与实际血流速度之间的投影关系建立所述实际血流速度的计算方程组，联合所述计算方程组得到第一角度关系式；其中，所述第一角度关系式为
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，θ0为所述实际血流速度所在方向与预设垂线的夹角，θ1为所述第一扫描线对应的血流分速度所在方向与所述预设垂线的夹角，θ2为所述第二扫描线对应的血流分速度所在方向与所述预设垂线的夹角，所述预设垂线为与所述超声换能器垂直且经过所述目标点的线；
求解所述第一角度关系式得到所述实际血流方向。
4.根据权利要求3所述血流方向的多普勒频谱生成方法，其特征在于，基于所述实际血流方向对所述多条扫描线方向的多普勒频谱进行校正和加权合并，得到实际血流方向的多普勒频谱，包括：
按照横坐标尺度一致的原则对所述第一扫描线方向和第二扫描线方向的多普勒频谱进行横坐标校正；
根据加权公式对横坐标校正后的所述第一扫描线方向和所述第二扫描线方向的多普勒频谱进行加权合并，得到所述实际血流方向的多普勒频谱
Figure DEST_PATH_IMAGE012
；
其中，所述加权公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，A为所述第一扫描线的权重值，（1-A）为所述第二扫描线的权重值，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为所述第一扫描线方向的多普勒频谱，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为所述第二扫描线方向的多普勒频谱，所述第一扫描线和所述第二扫描线的权重值根据扫描线所在方向与实际血流方向的夹角确定。
5.根据权利要求1所述血流方向的多普勒频谱生成方法，其特征在于，根据所述多条扫描线方向对应的血流分速度与实际血流速度之间的投影关系建立实际血流速度的计算方程组，根据所述计算方程组确定所述实际血流方向，包括：
当所述扫描线的数量大于2时，确定多个扫描线组合；其中，每一扫描线组合包括两条扫描线；
根据所述扫描线组合中扫描线对应的血流分速度与实际血流速度之间的投影关系与实际血流速度之间的投影关系建立所述实际血流速度的计算方程组，联合所述计算方程组得到第二角度关系式；其中，所述第二角度关系式为
Figure DEST_PATH_IMAGE020
，vx和vy为所述扫描线组合中两条扫描线所在方向的血流分速度，θi为所述实际血流速度所在方向与预设垂线的夹角，θx和θy为所述扫描线组合中两条扫描线对应的血流分速度所在方向与所述预设垂线的夹角，所述预设垂线为与所述超声换能器垂直且经过所述目标点的线；
求解所有所述扫描线组合对应的第二角度关系式得到多个θi，并根据所有θi的平均值确定所述实际血流方向。
6.根据权利要求1所述血流方向的多普勒频谱生成方法，其特征在于，在根据所述多条扫描线方向的多普勒频谱计算实际血流方向之后，还包括：
根据所述实际血流方向调整所述超声换能器的超声波发射角度，并向所述目标点发射超声波；
根据返回的超声波生成血管内血液的超声成像结果。
7.一种血流方向的多普勒频谱生成装置，其特征在于，包括：
超声收发模块，用于利用超声换能器通过多条扫描线向目标点发射超声波，得到多条所述扫描线对应的多普勒IQ信号；
频谱确定模块，用于根据所述多普勒IQ信号确定多条扫描线方向的多普勒频谱；
血流方向确定模块，用于根据所述多条扫描线方向的多普勒频谱计算实际血流方向；
频谱生成模块，用于基于所述实际血流方向对所述多条扫描线方向的多普勒频谱进行校正和加权合并，得到实际血流方向的多普勒频谱；
其中，所述血流方向确定模块包括：
分速度确定单元，用于根据所述多条扫描线方向的多普勒频谱确定血流分速度；其中，所述血流分速度为实际血流速度在所述扫描线方向上的垂直投影分速度；
实际血流方向计算单元，用于根据所述多条扫描线方向对应的血流分速度与实际血流速度之间的投影关系建立实际血流速度的计算方程组，根据所述计算方程组确定所述实际血流方向；
其中，所述分速度确定单元包括：
频偏计算子单元，用于将所述扫描线方向的多普勒频谱中每一采样点的频谱幅度
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
作为加权系数计算频偏fd；其中，fd=
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
为脉冲重复频率，N为所述多普勒IQ信号在时间域的采样点数，k为频率域上的采样点；
分速度计算子单元，用于利用速度计算公式确定每一所述扫描线方向的血流分速度v；其中，所述速度计算公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE022
，c为声速，f0为超声波发射频率。
8.一种超声成像设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述血流方向的多普勒频谱生成方法的步骤。
9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器加载并执行时，实现如上权利要求1至6任一项所述血流方向的多普勒频谱生成方法的步骤。
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