CN112513673B - 具有改进的动态范围控件的超声成像系统 - Google Patents

Abstract

一种超声成像系统具有改进的动态范围控件，该动态范围控件使得用户能够减少图像雾，而对图像中的明亮组织几乎没有影响，并且也不会增大散斑变化。动态范围处理器处理输入图像以产生近似图像，该近似图像是输入图像的空间低通滤波版本。对近似图像的动态范围进行压缩，并且重新添加不受压缩影响的图像细节以产生经动态压缩的图像以供显示。

Description

具有改进的动态范围控件的超声成像系统

技术领域

本发明涉及超声成像系统，并且特别涉及具有动态范围控件的超声成像系统，该动态范围控件用于调节雾消除和组织填充而不影响图像散斑的动态范围。

背景技术

超声成像系统通常具有两种用于调节图像外观的用户控件：图像增益控件和图像动态范围控件。当用户正在观察感兴趣区域的超声图像时，通常会调节这些控件以批准图像外观。例如，用户可能正在查看包含血池的心脏腔室的心脏图像。如果增益设置得太高，则血池经常会被心脏腔室上雾所模糊。用户能够通过下调增益来减少或消除雾，从而使产生的心脏腔室具有期望的纯黑色阴影。虽然增益降低通常不会影响图像对比度，但是下调增益将会使组织的白色阴影变暗，这能够降低图像中的组织的清晰度和分辨率。

还能够调节动态范围控件以减少不想要的雾。通过下调或减小所显示的图像的动态范围，能够减弱低水平的雾，并且随着图像对比度的增大，组织的亮白色水平基本上不会受到影响。但是对比度与噪声的比率不会发生变化，因为散斑的变化(图像中的散斑的不同灰度的范围)会随着对比度的增大而增大。

发明内容

本发明的各方面提供了一种用户控件，该用户控件减少了不想要的图像雾并同时不影响亮白色组织的阴影，并且在没有有害地增大散斑变化的情况下实现了以上两者。

根据本发明的原理，提供了一种用户增益控件，该用户增益控件减少了图像雾，而对图像中的明亮组织的外观几乎没有影响，并且提高了对比度而没有增大散斑变化。在优选的实施方式中，这通过动态范围处理器来完成，该动态范围处理器处理输入图像值以产生图像中的组织结构的低空间频率的近似图像。输入图像与近似图像之间的差异包含图像细节，该图像细节优选包含图像的散斑特性。然后将动态范围压缩应用于该近似图像，而不应用于图像细节，然后将图像细节与经动态范围调节的近似图像重新组合以产生要显示的图像。虽然能够利用由成像系统预先选择或优化的值来完成动态范围压缩，但是优选提供用户控件而使用户能够调节动态范围处理以产生具有用户喜欢的外观的图像。

应当理解，可以使用一个或多个处理器(无论是相同的处理器还是不同的处理器)来运行例如波束形成器、动态范围处理器、图像处理器的处理。

附图说明

在附图中：

图1以框图形式图示了根据本发明的原理配置的超声系统。

图2图示了根据本发明的可以用于产生近似图像的九元素内核。

图3图示了根据本发明构造的针对成像系统的动态范围曲线。

图4图示了根据本发明构造的针对成像系统的第二动态范围曲线，其在动态范围调节期间稳定中等范围灰度值。

图5是具有未经处理的图像散斑和没有动态范围调节的心脏超声图像。

图6是在由本发明的超声成像系统进行动态范围调节之后的与图5相同的心脏超声图像。

具体实施方式

首先参考图1，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中以用于发射超声波并接收回波信息。换能器阵列12可以是换能器元件的一维阵列或二维阵列，其能够在二维或三维中(例如在仰角(在3D中)和方位角这两者中)进行扫描。换能器阵列12被耦合到探头中的任选的微波束形成器14，该微波束形成器14控制由阵列元件进行的信号发射和接收。微波束形成器能够对由换能器元件的组或“拼片”接收的信号进行至少部分的波束形成，如在美国专利US 5997479(Savord等人)、US6013032(Savord)和US 6623432(Powers等人)中所描述的那样。微波束形成器通过探头线缆被耦合到发射/接收(T/R)开关16，该T/R开关16在发射与接收之间切换并保护主波束形成器20免受高能发射信号的影响。在微波束形成器14的控制下从换能器阵列12进行的超声波束的发射由被耦合到T/R开关和主波束形成器20的波束形成器控制器18来指导，该波束形成器控制器18接收来自用户对用户接口或控制面板38的操作的输入。由发射控制器控制的发射特性包括发射波形的数量、间隔、幅度、相位、频率、极性和多样性。在脉冲发射方向上形成的波束可以从换能器阵列直向前转向，或者在未转向的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，未聚焦的平面波可以用于发射。大多数具有相对较短的阵列长度(例如，128个元件的阵列)的一维阵列探头不使用微波束形成器，而是从主波束形成器得到驱动并直接对主波束形成器做出响应。

通过对由一组邻接的换能器元件接收的回波进行适当延迟并然后进行组合来对其进行波束形成。由微波束形成器14从每个拼片产生的部分波束形成的信号被耦合到主波束形成器20，在主波束形成器20中，来自换能器元件的个体拼片的部分波束形成的信号被组合成完全波束形成的相干回波信号，或者在没有微波束形成器的情况下对来自一维阵列的元件的回波信号进行延迟和组合。例如，主波束形成器20可以具有128个通道，其中的每个通道接收来自12个换能器元件的拼片的部分波束形成的信号或来自个体元件的部分波束形成的信号。以这种方式，由二维阵列换能器的超过1500个换能器元件接收的信号能够有效地贡献于单个波束形成的信号，并且从图像平面接收的信号得到组合。

信号处理器26对相干回波信号进行信号处理，该信号处理包括由数字滤波器进行的滤波并且任选地包括由空间或频率复合进行的降噪。经滤波的回波信号被耦合到正交带通滤波器(QBP)28。QBP执行三种功能：限制RF回波信号数据的频带，产生回波信号数据的同相和正交对(I和Q)，以及抽取数字采样率。QBP包括两个单独的滤波器，一个滤波器产生同相样本，而另一滤波器产生正交采样，其中，每个滤波器由实施FIR滤波器的多个乘法累加器(MAC)形成。信号处理器也能够将频带移至较低或基带频率范围，如QBP所能做到的那样。

经波束形成和处理的相干回波信号被耦合到图像处理器(B模式处理器30，其产生诸如组织之类的体内结构的B模式图像)。B模式处理器通过计算(I²+Q²)^1/2的形式的回波信号幅度来执行对经正交解调的I信号分量和Q信号分量的幅度(包络)检测。正交回波信号分量也被耦合到多普勒处理器34。多普勒处理器34存储来自图像场中的离散点的回波信号的总集，该总集然后用于利用快速傅立叶变换(FFT)处理器来估计图像中的点处的多普勒频移。采集总集的速率决定了系统能够在图像中准确测量和描绘的运动的速度范围。多普勒频移与图像场中的点处的运动(例如，血流和组织运动)成比例。对于彩色多普勒图像，将对血管中的每个点处的所估计的多普勒血流值进行壁滤波，并且使用查找表将其转换为彩色值。壁过滤器具有可调节的截止频率，在对流动的血液进行成像时，将拒绝高于或低于该截止频率的运动(例如，血管壁的低频运动)。可以单独显示B模式图像或多普勒图像，也可以在解剖结构配准中一起显示这两者，在解剖结构配准中，彩色多普勒叠加物示出B模式图像的组织结构中的组织和血管中的血流。

由B模式处理器30和多普勒处理器34产生的图像数据被耦合到图像数据存储器33，在该图像数据存储器33中，图像数据被存储在能根据图像值被采集时的空间位置进行寻址的存储器位置中。根据本发明的原理，顺序的B模式图像被耦合到动态范围处理器40，该动态范围处理器40处理每幅图像以进行如下所述的动态范围控件。经动态范围调节的图像被耦合回到图像存储器，从该图像存储器被耦合到显示处理器36以进一步的增强、缓冲和临时存储，以供在图像显示器22上进行显示。

在图1所示的实施方式中，动态范围处理器40是提供两种功能的图像处理器：它计算近似图像，该近似图像优选是从图像存储器接收的输入图像的空间低通滤波版本或散斑减少版本；并且它对近似图像执行动态范围压缩，此后近似图像中不存在的图像细节被重新组合到近似图像中。在图2中概念性地图示了适合用于本发明的实施方式的简单的空间低通滤波器。该图示表示九元素内核，该九元素内核用于在空间上处理输入图像I的九个邻接的图像元素。通过对输入图像I的八个周围图像值和中心图像值进行加权和求和，在内核的中心位置I_A处计算针对近似图像A的图像值。从数学上讲，该过程能够被表示为：

也就是说，用对内核的九个图像元素中的每个图像元素进行加权，然后对内核的加权值进行求和以计算近似图像值。因此，近似图像将主要包含图像的低空间频率结构信息。虽然该简单示例仅在九个图像元素的较小局部图像区上操作，但是优选的内核大小通常会明显更大，优选足够大以涵盖包含宽(且优选是完整)散斑值范围的输入图像元素。因此，散斑范围能够被包含在图像“细节”值D中，该图像“细节”值D能够被计算为每个图像元素位置处的输入图像I与近似图像A之差，或者

D＝I-A [2]

在常规的动态范围压缩中，低于低亮度水平m的图像值被映射为全黑，而高于高亮度水平M的图像值被映射为全白，或者

(I-m)/(M-m) [3]

在本发明的实施方式中，将动态范围压缩应用于近似图像A，而不应用于图像细节D。以这种方式执行动态范围压缩的算法是：

其中，SDR是散斑动态范围。该算法采用映射表达式的形式，该映射表达式将任意位长的值的输入图像映射到标准显示字长的0至255位的8位范围。该算法的操作是将近似图像A的所有低于水平m的低水平值映射到黑色，并且将近似图像的所有高于水平M的高水平值映射到白色。如上面的表达式[2]所示的那样确定的原始图像的散斑细节D被添加回到由散斑动态范围SDR加权的经动态范围调节的近似图像，因此保留了原始散斑变化。在构造的实现方式中，SDR通常将通过优化过程来确定，该优化过程首先将SDR设置为输入图像的动态范围。随着SDR的增大，散斑变化减小而实现图像平滑处理。但是，这种图像平滑处理通常将以降低图像分辨率为代价，因为细节D虽然理想地仅包含散斑，但是实际上也将包括一些结构图像细节。

成像系统能够使用针对变量的预先选择的值来自动执行上述动态范围处理，优选在处理更多数量的图像时通过优化来完成上述操作。但是优选地，动态范围处理器40由来自用户接口38的用户输入来控制，这与常规的增益和动态范围控件相结合或作为其替代方案。对于许多用户而言，理想的一组控件将是那些会使腔室变暗(减少雾)和组织填充(使组织结构变亮)的控件。上述动态范围处理器能够通过为用户提供两个控件来实现这一理想：一个控件调节针对动态范围处理器的m值，而另一个控件调节M值。当用户调节“m”控件以增大针对处理器的m值时，图像中的低水平雾将变得越来越暗。与常规的增益调节不同，随着用户调节“M”控件以减小M值，高回波生成组织将变得越来越白，并且对雾水平几乎没有影响。替代地，能够通过单个控件来改变这两个变量，该单个控件在M的减小的同时增大m；在减小雾的同时使组织变亮。这些个体或组合控件的效果如图3中的图形所示。在没有动态范围压缩的情况下，压缩曲线50-52-54将是一条从左下角处的零到右上角处的255(8位命名法中的全白)的连续的线。当用户控件增大m(如曲线段50所示)时，所有从零到m的图像值都将被设置为零(全黑)，从而减少了图像中的低水平雾的外观。当用户控件减小M(如曲线段54所示)时，所有从M到255的图像值都将被设置为全白(255)。如曲线段52所示，实现了动态范围压缩。

图5和图6示出了说明这些组合效果的超声图像。图5示出了没有对雾和亮度进行补偿的标准的心脏超声图像。图6示出了具有对上述两者的补偿的相同的心脏图像。可以看出，图6中的心脏腔室中的雾已经显著减少，并且基本上没有降低心脏腔室周围的心肌组织的亮度。

在下表中以与标准增益和动态范围控件的效果进行比较的方式总结了本发明的实施方式的组合效果：

在许多超声检查中，B模式图像的中等灰度阴影在临床上很重要。例如，心脏图像中的心肌组织通常以中等灰度阴影出现。因此，在图像中保留中等灰度色调的特性和外观通常很重要。图4图示了一条压缩曲线，该压缩曲线通过将中等灰度值锚定在该压缩曲线中的点G附近来实现该目的。随着m增大以减少低水平雾，中等灰度阴影保持固定在8位标度的中等灰度水平127附近。因此，随着m增大以减少心脏腔室雾，图像中的心肌组织的外观将保持不变。该控件的变型被证明是特别有效的，它是将G的控件与M联系在一起。随着M减小以提高图像的亮度，G的比例也减小。相对于图像中的最强回波生成的组织的外观，这保留了心肌组织的外观。

本领域技术人员将容易想到本发明的上述动态范围控件的其他变型。例如，控制针对亮度的M的用户接口控件也能够用于控制针对细节D的散斑动态范围SDR的值。当调节该控件以减小M并因此增大图像中的整体组织亮度时，SDR会同时增大，这具有随着组织亮度增大而减少散斑变化并使图像平滑的效果。

应当注意，适用用于本发明的实施方式的超声系统(并且特别是图1的超声系统的部件结构)可以以硬件、软件或其组合来实施。超声系统的各种实施例和/或部件或者其中的部件和控件器也可以被实施为一个或多个计算机或微处理器的部分。该计算机或处理器可以包括例如用于访问互联网的计算设备、输入设备、显示单元和接口。该计算机或处理器可以包括微处理器。微处理器可以被连接到通信总线，以例如访问PACS系统或数据网络以导入训练图像。该计算机或处理器还可以包括存储器。存储器设备(例如，图像存储器32)可以包括随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。该计算机或处理器还可以包括存储设备，该存储设备可以是硬盘驱动器或可移除的存储驱动器(例如，软盘驱动器、光盘驱动器、固态拇指驱动器等)。该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单元。

本文使用的术语“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、逻辑电路以及能够执行本文描述的功能的任何其他电路或处理器的系统。以上示例仅是示例性的，因此并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被存储在一个或多个存储元件中的指令集，以便处理输入数据。存储元件还可以根据需要而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。

包括如上所述的控制对超声图像的采集、处理和显示的那些指令的超声系统的指令集可以包括各种命令，所述各种命令指示计算机或处理器作为处理机器以执行诸如本发明的各种实施例的方法和过程的特定操作。所述指令集可以是软件程序的形式。所述软件可以是各种形式(例如，系统软件或应用软件)并且可以被实施为有形和非瞬态计算机可读介质。另外，所述软件可以是单独程序或模块(例如，发射控制模块)的集合，较大程序内的程序模块或程序模块的部分的形式。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对操作者命令做出响应，或者对先前处理的结果做出响应，或者对另一处理机器做出的请求做出响应。

此外，权利要求的限制不是以功能模块的形式写出的，且并不旨在基于35 U.S.C112的第六段来解释。除非此类权利要求限制明确使用短语“用于……的单元”来陈述没有进一步结构的功能时才会如此。

Claims (12)

1.一种具有图像动态范围控件的超声成像系统，包括：

换能器阵列探头；

波束形成器，其被耦合到所述探头；

图像处理器，其被耦合到所述波束形成器并被配置为产生超声图像；

动态范围处理器，其被耦合到所述图像处理器并适于响应于输入图像而产生近似图像，以将动态范围压缩应用于所述近似图像并将图像细节添加到经动态范围压缩的近似图像，其中，被添加到所述经动态范围压缩的近似图像的所述图像细节还包括散斑动态范围信息；以及

显示器，其被耦合到所述动态范围处理器并适于显示具有添加的图像细节的经动态范围压缩的近似图像，

其中，被添加到所述经动态范围压缩的近似图像的所述图像细节还包括通过散斑动态范围项加权的图像细节，并且

其中，所述图像细节还包括所述输入图像与所述近似图像之间的差异。

2.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中，所述近似图像还包括所述输入图像的空间低通形式。

3.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中，所述动态范围处理器还适于进行以下各项中的一项或多项：将所述近似图像的低图像值范围转换为黑色值，或者将所述近似图像的高图像值范围转换为白色值。

4.根据权利要求3所述的超声成像系统，其中，所述超声成像系统还包括被耦合到所述动态范围处理器的用户控件。

5.根据权利要求4所述的超声成像系统，其中，所述用户控件还适于定义要被转换为黑色值的低输入值范围。

6.根据权利要求5所述的超声成像系统，其中，所述用户控件还适于同时定义要被转换为白色值的高输入值范围。

7.根据权利要求4所述的超声成像系统，其中，所述用户控件还适于定义要被转换为白色值的高输入值范围。

8.根据权利要求2所述的超声成像系统，其中，所述动态范围处理器还适于根据多个输入图像值来产生近似图像值。

9.根据权利要求8所述的超声成像系统，其中，所述动态范围处理器还适于利用空间邻接的图像输入值对输入图像值进行空间低通滤波。

10.根据权利要求1所述的超声成像系统，还包括：用户接口控件，所述用户接口控件被耦合到所述动态范围处理器，并且适于使得用户能够改变所述散斑动态范围项。

11.根据权利要求1所述的超声成像系统，还包括：用户控件，所述用户控件适于对要被添加到经动态范围压缩的近似值的所述图像细节进行加权。

12.根据权利要求11所述的超声成像系统，其中，所述用户控件还适于对由所述显示器显示的具有添加的图像细节的所述经动态范围压缩的近似图像进行平滑处理。