CN112702956B - 一种超声成像系统及血流成像方法 - Google Patents

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Abstract

一种超声成像系统及成像方法，成像方法包括：向扫描对象发射发散超声波束，利用发散超声波束对扫描对象进行扫描(S11)；自扫描对象接收发散超声波束的回波，经波束合成获得发散超声回波信号（S12）；根据发散超声回波信号，获得扫描对象的血流速度矢量信息（S13）；以及显示扫描对象的血流速度矢量信息（S14）。利用发散超声波束进行血流成像，可以确保有足够大的扫描区域覆盖扫描对象，进而实现高帧率的超声血流成像。

Description

一种超声成像系统及血流成像方法
技术领域
本发明涉及医疗超声系统技术领域，更具体地，涉及一种超声成像系统及血流成像方法。
背景技术
对于传统心脏彩超检查，由于心脏有肋骨遮挡，探头只能放置在两肋之间，因此探头宽度很窄，如图1所示通常需要偏转发射实现扇形扫描，从而扩大扫描区域。基于多角度偏转发射的超声向量血流成像由于本身需要对同一区域进行多角度偏转发射，计算重叠区域不同角度的速度分量，然后合成向量速度。如果应用到心脏，采用相控阵探头做向量血流时，传统平面波多角度重叠区域会减少很多。图2中使用平面波获得的重叠区域在远离探头的方向上逐渐缩小，这样就无法实现较宽的扇形扫描，扫描区域难以覆盖住整个心脏。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种超声血流成像方法，该方法包括：
向扫描对象发射至少两次第一虚拟焦点下的第一发散超声波束，所述第一发散超声波束的第一扫描区域覆盖所述扫描对象的待扫描区；向扫描对象发射至少两次第二虚拟焦点下的第二发散超声波束，所述第二发散超声波束的第二扫描区域覆盖所述扫描对象的待扫描区；
接收所述第一发散超声波束的回波，获得一组第一发散超声回波信号，所述一组第一发散超声回波信号包括至少两次第一发散超声回波信号；接收所述第二发散超声波束的回波，获得一组第二发散超声回波信号，所述一组第二发散超声回波信号包括至少两次第二发散超声回波信号；
基于所述一组第一发散超声回波信号，计算所述扫描对象的待扫描区内目标点的第一方向的第一速度分量；基于所述一组第二发散超声回波信号，计算所述扫描对象的待扫描区内目标点的第二方向的第二速度分量；
基于所述第一速度分量和第二速度分量，生成待扫描区内目标点的血流速度矢量信息；以及
显示待扫描区内目标点的血流速度矢量信息；
其中，所述第一虚拟焦点的位置与所述第二虚拟焦点的位置不同，所述第一扫描区域与所述第二扫描区域至少部分重合，且重合部分的扫描区域覆盖所述扫描对象的待扫描区；
其中，以第一组发射时延激励探头的多个阵元分时向所述扫描对象发射超声波、以形成第一发散超声波束，所述第一组发射时延中，距离所述第一虚拟焦点近的阵元的超声波发射时间早于距离所述第一虚拟焦点远的阵元的超声波发射时间；以不同于第一组发射时延的第二组发射时延激励探头的多个阵元分时向所述扫描对象发射超声波、以形成第二发散超声波束，所述第二组发射时延中，距离所述第二虚拟焦点近的阵元的超声波发射时间早于距离所述第二虚拟焦点远的阵元的超声波发射时间。
根据本发明的第二方面，提供一种超声血流成像方法，该方法包括：
通过发射电路激励探头向扫描对象的心脏发射发散超声波束，所述发散超声波束的扫描区域覆盖所述扫描对象的待扫描区；
通过所述探头接收所述发散超声波束的回波以获得第一电信号，通过接收电路接收所述第一电信号、并由波束合成模块对所述第一电信号进行波束合成获得一组发散超声回波信号；
通过处理器基于所述一组发散超声回波信号，计算所述扫描对象的待扫描区内目标点的速度方向和速度大小，生成待扫描区内目标点的血流速度矢量信息；以及
在显示器上动态显示待扫描区内目标点的血流速度矢量信息。
根据本发明的第三方面，提供一种超声血流成像方法，该方法包括：
向扫描对象发射多次发散超声波束，利用所述发散超声波束对所述扫描对象进行扫描；
自所述扫描对象接收多次所述发散超声波束的回波，获得发散超声回波信号；
根据所述发散超声回波信号，生成所述扫描对象的血流速度矢量信息；以及
显示所述扫描对象的血流速度矢量信息。
根据本发明的第四方面，提供一种超声血流成像系统，该系统包括：
探头，用于发射发散超声波束、和接收发散超声波束的回波以获得第一电信号；
发射电路，用于激励所述探头向扫描对象发射发散超声波束，以对所述扫描对象进行扫描；
接收电路和波束合成模块，用于接收和处理所述第一电信号，获得发散超声回波信号；
处理器，用于根据所述发散超声回波信号，获得所述扫描对象的血流速度矢量信息；以及
显示器，用于显示所述扫描对象的血流速度矢量信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是利用超声探头进行逐线超声波扫描的示意图；
图2是利用超声探头发射平面波进行向量血流成像的示意图；
图3是本发明一种实施方式的超声成像系统的结构示意图；
图4是发散超声波束的示意图；
图5是本发明一种实施方式的超声血流成像方法的流程示意图；
图6是利用超声探头发射发散超声波束进行向量血流成像的示意图；
图7a和图7b是4个阵元的超声探头发射发散超声波束的发射图示；
图8a是超声探头交替发射两个不同虚拟焦点的发散超声波束的发射脉冲序列的示意图；
图8b是超声探头交替发射两个不同虚拟焦点的发散超声波束的另一发射脉冲序列的示意图；
图8c是超声探头交替发射两个不同虚拟焦点的发散超声波束的另一发射脉冲序列的示意图；
图8d是超声探头交替发射三个不同虚拟焦点的发散超声波束的另一发射脉冲序列的示意图；
图9示出了发散超声波束的发散线的示意图；
图10是计算图5中某一目标点的向量速度的示意图；
图11是本发明一实施方式中显示血流速度矢量信息的示意图；
图12是本发明另一实施方式的超声血流成像方法的流程示意图；
图13a是根据图9所示实施方式的超声探头交替发射发散超声波束和聚焦超声波束的发射脉冲序列的示意图；
图13b是根据图9所示实施方式的超声探头交替发射发散超声波束和聚焦超声波束的另一发射脉冲序列的示意图；
图13c是根据图9所示实施方式的超声探头交替发射发散超声波束和聚焦超声波束的另一发射脉冲序列的示意图；
图13d是根据图9所示实施方式的超声探头交替发射发散超声波束和聚焦超声波束的另一发射脉冲序列的示意图。
具体实施方式
图3为本发明一种实施方式的超声成像系统的结构示意图。如图3所示，该超声成像系统可包括：探头1、发射电路2、发射/接收选择开关3、接收电路4、波束合成模块5、处理器6和显示器7。
在超声成像系统中，发射电路2根据需要生成具有一定幅度和极性的发射脉冲序列，该脉冲序列通过发射/接收选择开关3发送到探头1，并形成一组发射时延以控制探头1。探头1受发射脉冲的激励，向扫描对象发射超声波束以进行扫描。经过一定延时后，探头1接收从扫描对象的目标区域反射回来的超声回波，并将该超声回波重新转换为电信号。接收电路4接收探头1转换生成的电信号，获得超声回波信号，并将这些超声回波信号送入波束合成模块5。波束合成模块5对超声回波信号进行聚焦延时、加权和通道求和等处理，然后将超声回波信号送入处理器6进行相关处理。处理器6可根据用户所需成像模式的不同，对超声回波信号进行相应处理，以获得不同模式的图像数据。然后经对数压缩、动态范围调整、数字扫查变换等处理形成不同模式的图像数据。处理器6生成的图像数据被送入显示器7显示。
本发明的超声成像系统可进行超声血流成像和灰阶成像。处理器6可对波束合成的超声回波信号进行灰阶图像处理，生成灰阶超声图像(以下简称超声图像)，也可对波束合成的超声回波信号进行壁滤波或斑点追踪等处理，获得扫描对象的目标点的血流速度矢量信息。显示器7可同步显示该超声图像和血流速度矢量信息。
探头1通常包括多个阵元的阵列。在每次发射超声波束时，探头1的所有阵元或部分阵元参与超声波束的发射。这些参与超声波束发射的阵元受到发射脉冲的激励分别发射超声波，这些超声波在传播过程中叠加形成被发射到扫描对象的合成超声波束，该合成超声波束的方向即为下文中提到的超声波传播方向。本发明中进一步将超声波传播方向与探头1阵元排列平面的法线方向之间的夹角称为该超声波束的偏转角度。
本发明的超声成像系统利用发散超声波束进行血流成像。通过控制参与超声波束发射的阵元被发射脉冲激励的时间之间的延时，使参与超声波束发射的各个阵元发射的超声波在传播过程中发生发散，整体上大体为发散波束。本发明中将这种发散形式的超声波束称为发散超声波束。图4即为一种超声波传播方向下的发散超声波束的示意图，黑色箭头代表该发散超声波束的超声波传播方向。发散超声波束自探头1阵元排列的平面出射后，在传播方向上不会聚焦且向外发散。发散超声波束通常可以覆盖探头1的整个成像区域。因此本发明使用发散超声波束成像时，一次发射可以得到一帧超声图像。
处理器6可对探头1待发出的发散超声波束进行拟合计算，从而确定发散超声波束在探头1阵元排列平面后方(如图6所示)的虚拟焦点。虚拟焦点是指发散超声波束的逆向传播聚焦位置，该位置位于探头1阵元排列平面后方，相当于逆向传播的焦点。一些实施方式中，发散超声波束在探头1后方存在可以聚焦的位置，处理器6此时可直接得到该虚拟焦点。一些实施方式中，发散超声波束在探头1后方仅有强度集中的一个区域，处理器6可首先确定发散超声波束在后方的虚拟聚焦区域，然后将该虚拟聚焦区域的中心作为虚拟焦点，该中心位置视作逆向传播的焦点。虚拟焦点不同的发散超声波束对应具有不同的超声波传播方向，且虚拟焦点不同的发散超声波束在对扫描对象进行扫描时，具有不同的扫描区域。这里的扫描区域指被探头接收以用来进行后续的图像处理的波束所对应的区域。本发明采用不同虚拟焦点的发散超声波束对扫描对象进行扫描，并对这些发散超声波束的重合扫描区域内的扫描对象进行超声血流成像。下文将对利用发散超声波束进行超声血流成像进行详细说明。
本发明提供一种基于发散超声波束的超声血流成像方法，该方法包括向扫描对象发射不同虚拟焦点下的发散超声波束，且不同虚拟焦点下的发散超声波束至少发射两次。接收不同虚拟焦点下的发散超声波束的回波，分别获得多组发散超声回波信号。基于每一组发散超声回波信号，计算扫描对象的待扫描区内目标点的速度分量。然后将基于所有组发散超声回波信号获得的速度分量进行速度合成，得到该目标点的血流速度矢量信息。该血流速度矢量信息可以投射体的形式动态显示。为更好地体现目标点的真实运动速度，需采用至少两个不同虚拟焦点下的发散超声波束扫描对应的扫描对象。例如，可采用两个、三个或更多个虚拟焦点下的发散超声波束。每一虚拟焦点下的发散超声波束分时发射至少两次，从而计算该目标点在对应发散超声波束下的移动速度(大小和方向)。
本发明的一种超声血流成像方法包括通过探头向扫描对象发射至少两次第一虚拟焦点下的第一发散超声波束和向扫描对象发射至少两次第二虚拟焦点下的第二发散超声波束。第一发散超声波束的第一扫描区域覆盖扫描对象的待扫描区，第二发散超声波束的第二扫描区域覆盖扫描对象的待扫描区。第一发散超声波束和第二发散超声波束在一次发射后均可以得到一帧超声图像，且第一扫描区域和第二扫描区域均可覆盖扫描对象的待扫描区。这里的待扫描区可以是扫描对象的一个完整解剖结构(组织或器官)，也可以是满足用户需求的某解剖结构的局部区域，用户希望追踪观察的目标点位于待扫描区内。
第一虚拟焦点相对于探头的位置与第二虚拟焦点相对于探头的位置不同，对应的第一扫描区域与第二扫描区域的扫描范围也不同。其中，第一扫描区域和第二扫描区域至少部分重合，且重合部分的扫描区域覆盖扫描对象的待扫描区，从而可基于第一发散超声波束和第二发散超声波束对待扫描区内的目标点进行血流成像。
探头发射第一发散超声波束时，发射电路以第一组发射时延激励探头的多个阵元分时向扫描对象发射超声波，以形成第一发散超声波束。第一组发射时延中，距离第一虚拟焦点近的阵元的超声波发射时间早于距离第一虚拟焦点远的阵元的超声波发射时间，从而使得参与超声波束发射的阵元先后发出的超声波可空间复合形成第一超声波传播方向的第一发散超声波束，该第一发散超声波束的逆向聚焦于第一虚拟焦点。探头发射第二发散超声波束时，发射电路以第二组发射时延激励探头的多个阵元分时向扫描对象发射超声波，以形成第二发散超声波束。第二组发射时延中，距离第二虚拟焦点近的阵元的超声波发射时间早于距离第二虚拟焦点远的阵元的超声波发射时间，从而使得参与超声波束发射的阵元先后发出的超声波可空间复合形成第二超声波传播方向的第二发散超声波束，该第二发散超声波束的逆向聚焦于第二虚拟焦点。
由于第一虚拟焦点和第二虚拟焦点相对于探头的空间定位不同，第一组发射时延和第二组发射时延也不相同。例如，在第一种情况下，参与发射第一发散超声波束和第二发散超声波束的多个阵元相同时，同一阵元在第一组和第二组发射时延中的发射先后顺序不同，因此构成不同的阵元发射顺序的第一组发射时延和第二组发射时延。例如，在第二种情况下，参与发射第一发散超声波束的多个阵元和第二发散超声波束的多个阵元部分或全部不同时，因参与超声波束发射的阵元不同，第一组发射时延和第二组发射时延分别结合各阵元所形成的阵元发射顺序也不相同。在第二种情况下，即使第一组发射时延和第二组发射时延中各阵元的发射时间相同，但由于参与发射的阵元有差异，阵元在超声探头平面的位置发生改变，也将此时的第一组发射时延和第二组发射时延视为不同发射时延。
随后接收第一发散超声波束的回波，获得一组第一发散超声回波信号，且一组第一发散超声回波信号包括至少两次第一发散超声回波信号。处理器基于该一组第一发散超声回波信号，计算扫描对象的待扫描区内目标点的第一方向的第一速度分量。同样地，接收第二发散超声波束的回波，获得一组第二发散超声回波信号，且一组第二发散超声回波信号包括至少两次第二发散超声回波信号。处理器基于一组第二发散超声回波信号，计算扫描对象的待扫描区内目标点的第二方向的第二速度分量。处理器进一步基于第一速度分量和第二速度分量，生成待扫描区内目标点的血流速度矢量信息。例如对第一速度分量和第二速度分量进行速度合成，得到能尽可能反映该目标点的真实运动情况的向量速度。
上述血流速度矢量信息可以运动的投射体形式动态显示出来，该投射体的位置在各帧发散超声回波信号之间动态更新，并形成投射体的轨迹，该轨迹可以反映待扫描区内目标点的运动轨迹。该投射体可被颜色编码，且颜色编码的色彩类型或色彩深度与目标点的速度大小相关。该投射体可具有一定长度，且长度与目标点的速度大小相关。该投射体的前端可带有用于指示投射体运动方向的箭头，且该箭头指示的方向与该目标点的速度方向对应，也即与目标点处流体的方向对应。
上述血流速度矢量信息也可以采用静态显示方法显示出来，例如可在当前帧的图像上，在目标点的位置标记速度标识体，通过该速度标识体的大小和方向指向静态显示目标点的血流速度矢量信息。例如，该速度标识体的方向指向表示该目标点处血流的运动方向，该投射体的尺寸大小可表示该目标点处血流的速度大小。
以上描述中虽然采用第一发散超声波束和第二发散超声波束的方式来说明，但此处的“第一”和“第二”并不用以将发散超声波束限定为两种不同虚拟焦点下的发散超声波束，而是表示本发明采用多于一种虚拟焦点下的发散超声波束进行超声血流成像。
本发明利用发散超声波束进行超声血流成像，相比传统的超声血流成像可以扩大扫描区域，发散超声波束的重合区域明显增大，尤其应用于心脏超声成像时可以基本上覆盖整个心脏区域。下面通过具体实施方式接合附图对本发明做进一步详细说明。
图5是本发明一种实施方式的超声血流成像方法的流程示意图，该超声血流成像方法利用发散超声波束对扫描对象进行扫描，并具体包括步骤S11-S14。
在步骤S11中，向扫描对象发射发散超声波束，利用发散超声波束对扫描对象进行扫描。该发散超声波束用以获得发散超声回波信号，该信号用于进行超声血流成像。根据向量血流成像的需要，需发射多次发射超声波束。本发明中，超声血流成像利用不同超声波传播方向(即不同虚拟焦点)的发散超声波束对扫描对象进行扫描，各超声波传播方向(即不同虚拟焦点)的发散超声波束至少发射两次，以在扫描时分别确定扫描对象的速度分量，再对速度分量进行合成，得到该扫描对象的血流速度矢量信息。步骤S11中向扫描对象发射不同超声波传播方向的发散超声波束，这些发散超声波束具有不同虚拟焦点和不同声场覆盖范围，后续则对这些发散超声波束的声场重合区域覆盖的扫描对象进行超声血流成像。
以采用两种发散超声波束进行超声血流成像为例，如图6所示，超声探头发射两个不同超声波传播方向下的第一发散超声波束和第二发散超声波束，第一发散超声波束具有第一虚拟焦点A，第二发散超声波束具有第二虚拟焦点B，且第一和第二发散超声波束分别形成两个发射声场。这两个发射声场至少部分重合，重合的区域(图中用虚线表示)即为对扫描对象进行超声血流成像的扫描区域。本发明中将此重合的扫描区域称为目标扫描区，该目标扫描区可以覆盖扫描对象的待扫描区。图中可看出，相比于传统平面波进行超声血流成像(图2)，第一和第二发散超声波束的重合扫描区域(目标扫描区)大致为梯形的扫描区域。该扫描区域的扫描范围明显增大，且尤其应用于心脏超声扫描时，可以基本上覆盖扫描对象的心脏。结合图6，这里的大致为梯形的扫描区域指该扫描区域的底部尺寸(即远离阵元平面的方位)大于顶部尺寸(即靠近阵元平面的方位)，在发散超声波束的传播方向上扫描范围增大，从而提供更为开阔的目标扫描区，有利于完整覆盖扫描对象的待扫描区。在一些实施例中，该大致为梯形的扫描区域其底部可以是圆弧形的。
如上所述，通过控制参与超声波束发射的阵元被发射脉冲激励的时间之间的延时，可以获得在传播过程中发生发散的发散超声波束。参与超声波束发射的阵元通常呈阵列分布，通过控制阵列中的阵元以不同时延发射超声波，可以得到发散超声波束。例如，根据各阵元与虚拟焦点的距离远近，控制距离近的阵元先于距离远的阵元发射超声波，可以得到发散超声波束。
具体地，如图7a所示，以超声探头有4个阵元为例说明如何调控探头参与发射的阵元的时延，以获得发散超声波束。首先在探头后方确定一虚拟焦点(如图示虚拟焦点B)，通过虚拟焦点位置到各个阵元的距离即可计算得到各个阵元的相对时延。图7a中深色块表示阵元I、阵元II、阵元III、阵元IV，d1、d2、d3、d4分别表示虚拟焦点B到各阵元I、II、III、IV的距离，那么从虚拟焦点B到各阵元的时间为：ti＝di/c，i表示阵元号，c表示声速。根据ti可以设置每个阵元的时延为：Delayi＝ti-min(ti)，Delayi表示第i个阵元的发射时延。4个阵元按照上述发射时延发射超声波，传播过程中将复合形成具有图示第二虚拟焦点B的发散超声波束。
在图7a所示的虚拟焦点和阵元布局下，阵元I、阵元II、阵元III、阵元IV发射超声波的先后顺序为：阵元IV、阵元III、阵元II、阵元I。同理，在图7b所示的虚拟焦点和阵元布局下，阵元I、阵元II、阵元III、阵元IV发射超声波的先后顺序为：阵元I、阵元II、阵元III、阵元IV。结合图7a和7b可看出，通过控制阵元I、阵元II、阵元III、阵元IV的发射时延，可以得到超声波传播方向不同的发散超声波束。
在超声血流成像时，并不局限于采用两个不同虚拟焦点的发散超声波束。用户可根据具体需求采用三个或更多个不同虚拟焦点的发散超声波束。在向扫描对象发射发散超声波束进行扫描时，可交替发射不同虚拟焦点(即不同超声波传播方向)的发散超声波束进行扫描。
图8a-8c示出了交替发射两个不同虚拟焦点的发散超声波束的发射脉冲序列的示意图，其中不同图案代表不同虚拟焦点的发散超声波束。图8a中第一发散超声波束和第二发散超声波束为逐帧交替扫描。图8b中可每两帧第一发散超声波束和每两帧第二发散超声波束交替扫描，此时每两帧同虚拟焦点的发散超声波束扫描后，可进行后续的血流速度矢量信息的计算。图8c中可先利用第一发散超声波束进行扫描，获得计算血流速度矢量信息的所有回波信号后，再交替发射第二发散超声波束进行扫描。将图8c中的T1-T10视为组成了一个计算血流速度矢量信息的计算包，即图8c中第一发散超声波束和第二发散超声波束为逐包交替扫描。这里由T1-T10组成的计算包仅用于举例说明，并不对计算包所需的发散超声波束的发射次数构成限定。例如，图8b所示的每两帧第一发散超声波束和每两帧第二发散超声波束，也可分别构成用于计算血流速度矢量信息的计算包。
当采用三个不同虚拟焦点的发散超声波束进行扫描时，可以采用图8a-8c所列示的任一种方式进行交替扫描。图8d中示出的即为三个不同虚拟焦点的发散超声波束逐帧交替扫描的发射方式。
发散超声波束因其传播过程的发散特性，在应用于心脏彩超检查时，也依然可以形成较宽的扫描区域，很好地覆盖住扫描对象的心脏。采用相控阵探头做向量血流成像时，使用本发明的基于发散超声波束的超声血流成像方法，控制相控阵探头发射不同虚拟焦点的发散超声波束，可以使重合产生的目标扫描区覆盖扫描对象的心脏，满足心脏彩超检查的成像需求。
在步骤S12中，接收发散超声波束的回波，经波束合成获得一组发散超声回波信号。例如，步骤S11中多次发射第一发散超声波束和第二发散超声波束后，分别接收第一发散超声波束和第二发散超声波束的回波，得到一组第一发散超声回波信号和一组第二发散超声回波信号。
如图9所示，第一发散超声波束的发射声场具有以虚拟焦点A向外发射的发散线，该发散线对应于发射声场中超声波强度相对于其周围空间而集中的位置。在一种实施方式中，步骤S12可以基于发散线进行波束合成，最终波束合成后的图像由发散线的值组成。在另一实施方式中，步骤S12可以基于发散超声波束的扫描区域内的像素点进行波束合成。
在步骤S13中，根据发散超声回波信号获得扫描对象的血流速度矢量信息。具体地，获得某一虚拟焦点的一组发散超声回波信号后，确定待进行向量血流计算的目标点，随后计算该目标点的速度方向和速度大小，生成该目标点在该组发散超声波束扫描下的速度分量。可计算目标点在一定时间间隔内的移动距离，也可计算目标点在一定时间间隔内的相位差，以获得该目标点的速度大小。采用同样方法计算得到该目标点在另一虚拟焦点的一组发散超声波束扫描下的速度分量。对所有不同虚拟焦点下得到的速度分量进行合成，得到向量速度，即该目标点的血流速度矢量信息。
图10为计算图5中某一目标点的向量速度的示意图。虚拟焦点A的第一发散超声波束扫描后，计算得到目标点在第一方向的速度分量vA，该第一方向为目标点与虚拟焦点A连线的方向。虚拟焦点B的第二发散超声波束扫描后，计算得到目标点在第二方向的速度分量vB，该第二方向为目标点与虚拟焦点B连线的方向。对vA和vB进行角度合成，得到图示的向量速度如图所示，基于速度分量vA可确定与第一方向垂直的第一参考线l1，基于速度分量vB可确定与第二方向垂直的第二参考线l2，目标点的向量速度/>的方向则为目标点与第一参考线l1和第二参考线l2的交点O连线的方向。
图10中具体示例了采用两个不同虚拟焦点的发散超声波束进行扫描时，如何得到目标点的速度矢量。为得到某一目标点的速度矢量，还可采用两个以上的不同虚拟焦点的发散超声波束进行扫描，得到两个以上不同方向的速度分量，再对这些速度分量进行速度矢量合成。不同虚拟焦点的发散超声波束对应不同的发射角度，对同一目标点进行扫描的角度越多，信噪比越高，最终计算得到的速度矢量就更准确。
步骤S13计算血流速度矢量信息时，对波束合成后的发散超声回波信号进行壁滤波得到血流信号，然后利用每个虚拟焦点下的血流信号分别计算速度分量。可采用传统的自相关法计算速度分量，公式如下
其中，vk表示第k个焦点下所计算的速度分量，f0表示探头发射信号的中心频率，fPRF表示同一焦点的发射PRF(Pulse Repetition Frequency-脉冲重复频率)，N表示发射次数，x(m)表示第m次发射并接收处理后的信号的实部，y(m)表示第m次发射并接收处理后的信号的虚部，是取虚部算子，/>是取实部算子，j是虚数单位。
除采用上述自相关法计算速度分量外，还可采用本领域已有的斑点跟踪的方法进行计算。
在步骤S14中，显示扫描对象的血流速度矢量信息。这里显示的是所选择的扫描对象内目标点的血流速度矢量信息。其显示方式可以是将计算出的血流速度矢量信息显示为投射体，该投射体随目标点的位置变化而实时移动。该投射体可为自目标点所在位置出发的箭头，箭头的指向表示目标点处血流的方向。该投射体可为自目标点所在位置出发的带箭头末端的线段。。对该投射体进行颜色编码，且颜色编码的色彩类型和色彩深度与该目标点的速度大小对应，同时投射体的长度大小也与目标点的速度大小对应。基于该显示方式，该目标点在一定时间间隔内运动越快，投射体越长且颜色越深。根据该投射体的长度和颜色，用户可以很直观地了解到扫描对象在每个时间段内的血流情况。例如，应用于心脏彩超检查时，用户通过显示的血流速度矢量信息，可以很方便地了解心脏内血流速度快慢，了解心脏的泵血能力。
图11为本发明一实施例中显示血流速度矢量信息的示意图。如图所示，血流速度矢量信息可以投射体形式显示，且随对应的目标点的运动，在各帧图像之间以运动方式动态显示出来，并形成投射体的运动轨迹。该投射体的轨迹可直观且真实地反映目标点处流体的真实运动方向，区别于传统血流成像(C模式)仅能根据超声波传播方向标示流体的相对运动趋势(朝向探头运动还是远离探头运动)。该投射体的长度或大小可直观且真实地反映目标点出流体的真实运动快慢，区别于传统多普勒成像(D模式)仅能计算沿超声波传播方向上的速度大小、或根据超声波传播方向上的速度大小进行方向校正估测目标点速度大小的方案。
采用上述超声血流成像方法，利用发散超声波束形成一个较宽的重合扫描区域，可实现近似梯形的高帧率心脏向量血流成像。这样，使用相控阵探头进行心脏彩超检查时，不会再因探头宽度问题而影响扫描区域的覆盖范围，可以迅速实现向量血流成像。
将上述超声血流成像方法应用于心脏超声血流成像时，可以包括以下步骤，该示例下心脏可为扫描对象的待扫描区：
通过发射电路激励探头向扫描对象的心脏交替发射多个不同虚拟焦点(或称为不同超声波传播方向)的发散超声波束，这些发散超声波束传播过程中复合限定的扫描区域为目标扫描区，可以覆盖扫描对象的心脏。如上所述，可以采用两个、三个或更多个虚拟焦点的发散超声波束进行交替扫描。每个虚拟焦点的发散超声波束至少进行两次扫描，以用于后续的速度分量计算。具体的交替发射方式可以参考前述说明。
通过探头接收不同虚拟焦点的发散超声波束的回波，探头将回波转换为第一电信号，该第一电信号传输至接收电路，并由波束合成模块经波束合成获得对应于不同虚拟焦点的一组发散超声回波信号。这里的波束合成可以基于发散超声波束的发散线进行，也可以基于目标扫描区内的像素点进行。
通过处理器基于不同虚拟焦点的各组发散超声回波信号，先计算扫描对象的心脏内目标点的速度方向和速度大小，获得在不同虚拟焦点下对应的速度分量，再由处理器对各速度分量进行角度合成，生成心脏内目标点的血流速度矢量信息。具体的计算方式同样可以参考前述说明。
最后在显示器上动态显示心脏内目标点的血流速度矢量信息，具体例如可采用颜色编码的投射体进行显示。
超声血流成像方法在显示血流速度矢量信息时，通常是与扫描对象的灰阶超声图像同步显示。在一实施方式中，本发明的超声成像系统可对发散超声回波信号进行灰阶图像处理，获得超声图像。即在获得波束合成后的发散超声回波信号后，既对该发散超声回波信号进行壁滤波或斑点追踪，得到各目标点的血流速度矢量信息，也对该发散超声回波信号进行包络检测等处理，得到扫描对象的灰阶超声图像。结合图5所示的方法，步骤S13可进一步包括根据发散超声回波信号进行灰阶图像处理，获得扫描对象的二维灰阶超声图像。例如应用于心脏超声检查时，可基于发散超声回波信号获得心脏超声图像。
在另一实施方式中，本发明的超声成像系统采用发射发散超声波束和聚焦超声波束的方式成像，其中将发散超声波束的回波信号用于血流成像，将聚焦超声波束的回波信号用于灰阶图像成像。图12是本发明另一实施方式的超声血流成像方法的流程示意图，该超声血流成像方法利用发散超声波束进行向量血流成像，利用聚焦超声波束进行灰阶成像，该方法具体包括步骤S21-S24。
在步骤S21中，向扫描对象交替发射聚焦超声波束和发散超声波束，进行扫描。图13a-图13d示出了具体的交替发射聚焦超声波束和发散超声波束的发射脉冲序列。
参考图13a和图13b，其分别对应于采用两种和三种不同虚拟焦点的发散超声波束的情况，此时插入到发散超声波束中发射的聚焦超声波束替代插入时刻本来要发射的发散超声波束。图中黑色实心箭头代表聚焦超声波。
如图13a所示，以Ai表示向扫描对象发射第i次第一虚拟焦点A的发散超声波束，以Bi表示向扫描对象发射第i次第二虚拟焦点B的发散超声波束，以Di表示向扫描对象发射第i次的聚焦超声波束，则图13a中的发射脉冲序列为A1，B1，A2，D1，A3，B3，A4，B4，A5，B5，A6，B6，D2，B7，A8，B8，A9，B9，A10，B10，A11，D3，A12，B12。其中，向扫描对象发射的第1次聚焦超声波束替代对应插入时刻本来要向扫描对象发射的第2次第二虚拟焦点B的发散超声波束，后续的第2次、第3次或第i次聚焦超声波束以此类推，对应替代插入时刻的发散超声波束。
如图13b所示，以Ai表示向扫描对象发射第i次第一虚拟焦点A的发散超声波束，以Bi表示向扫描对象发射第i次第二虚拟焦点B的发散超声波束，以Ci表示向扫描对象发射第i次第三虚拟焦点C的发散超声波束，以Di表示向扫描对象发射第i次的聚焦超声波束，则图13b中的发射脉冲序列为A1，B1，C1，D1，B2，C2，A3，B3，C3，A4，B4，D2，A5，B5，C5，A6，B6，C6，A7，D3，C7，A8，B8，C8。其中，向扫描对象发射的第1次聚焦超声波束替代对应插入时刻本来要向扫描对象发射的第2次第二虚拟焦点A的发散超声波束，后续的第2次、第3次或第i次聚焦超声波束以此类推，对应替代插入时刻的发散超声波束。
图13a-13b的发射方案中，由于聚焦超声波束占据了发散超声波束在发射脉冲序列中的位置，对扫描对象进行发散波扫描会缺失部分发散超声波束的回波信息。为保证发散超声回波信号的连续性，采用插值方式补充因插入聚焦波而缺失的发散超声回波信号。插值计算时，需采用相同虚拟焦点的发散超声波束的回波信号进行插值。结合图13a，对于缺失的B2发散超声回波信号，则采用B1和B3的发散超声回波信号进行插值计算。结合图13b，对于缺失的A2发散超声回波信号，则采用A1和A3的发散超声回波信号进行插值计算。其他插值计算同上，在此不再重复叙述。
上述的Ai、Bi和Ci次发射后则分别获得对应不同虚拟焦点的三组发散超声回波信号，这些发散超声回波信号用于超声血流成像。即，分别计算各虚拟焦点下扫描对象的目标点的速度分量，再合成得到该目标点的血流速度矢量信息。其中每第Ai、每第Bi次和每第Ci次发射均可获得一帧图像。上述的聚焦超声波束扫描获得聚焦超声回波信号，用于灰阶超声图像成像。聚焦超声波束扫描需综合多次发射的结果，即综合D1，D2......Di次的聚焦超声回波信号，经信号处理和图像处理得到一帧灰阶超声图像。
为保证发散超声波束的连续性，本申请可采用如图13c所示的发射脉冲序列，向扫描对象交替发射发散超声波束和聚焦超声波束。图13c中，沿不同的超声波传播方向连续发射多次发散超声波束与发射一次聚焦超声波束交替执行。具体地，以Ai表示向扫描对象发射第i次第一虚拟焦点A的发散超声波束，以Bi表示向扫描对象发射第i次第二虚拟焦点B的发散超声波束，以Ci表示向扫描对象发射第i次第三虚拟焦点C的发散超声波束，以Di表示向扫描对象发射第i次的聚焦超声波束，图13c对应的发射脉冲序列为A1，B1，C1，D1，A2，B2，C2，D2，A3，B3，C3，D3，A4，B4，C4，D4，A5，B5，C5，D5，A6，B6，C6，D6。该发射方式即使插入了聚焦超声波束，也不会导致发散超声回波信号的缺失。
在其他实施方式中，也可采用图13d所示的发射脉冲序列，向扫描对象交替发射发散超声波束和聚焦超声波束。图13d中，沿不同的超声波传播方向连续发射多次发散超声波束与连续发射多次聚焦超声波束交替执行。具体地，以Ai表示向扫描对象发射第i次第一虚拟焦点A的发散超声波束，以Bi表示向扫描对象发射第i次第二虚拟焦点B的发散超声波束，以Ci表示向扫描对象发射第i次第三虚拟焦点C的发散超声波束，以Di表示向扫描对象发射第i次的聚焦超声波束，图13d对应的发射脉冲序列为A1，B1，C1，A2，B2，C2，A3，B3，C3，A4，B4，C4，D1，D2，D3，D4，D5，A5，B5，C5，A6，B6，C6，A7，B7，C7，A8，B8，C8。该发射方式同样不会导致发散超声回波信号的缺失。
图13a-图13d仅举例说明了可采用的发散超声波束和聚焦超声波束的交替发射方式。还可以采取其他方式，实现发散超声波束和聚焦超声波束对扫描对象的交替扫描。例如，可将图8a-图8d的发散超声波束的发射脉冲序列应用到图13a-图13d中，形成其他的发散超声波束和聚焦超声波束的交替发射脉冲序列。
在步骤S22中，在探头向扫描对象发射发散超声波束的情况下，接收发散超声波束的回波，获得一组发散超声回波信号；在探头向扫描对象发射聚焦超声波束的情况下，接收聚焦超声波束的回波，获得一组聚焦超声回波信号。发散超声回波信号用于超声血流成像，聚焦超声回波信号用于灰阶图像成像。
在步骤S23中，处理器根据发散超声回波信号，计算扫描对象(尤其指所选定目标点)的血流速度矢量信息。处理器根据聚焦超声回波信号，获得扫描对象在扫描区域内各像素点的灰度值，生成灰阶超声图像。
在步骤S24中，同步显示扫描对象的超声图像和血流速度矢量信息。如前所述，血流速度矢量信息可表现为投射体形式。投射体可以是自目标点所在位置出发的箭头，箭头随目标点的运动而运动。投射体可以是带箭头末端的线段，线段起点为目标点当前所在位置。血流速度矢量信息与超声图像同步显示时，可向用户呈现扫描对象随时间变动的情况。
上述分别发射聚焦超声波束和发散超声波束的成像方法，可以更好地满足灰阶成像和血流成像的不同要求，既得到更为清晰的灰阶图像，又能在灰阶图像上进一步显示直观性良好的血流信号。
本发明还提供了一种超声成像系统，其包括探头1、发射电路2、接收电路4、波束合成模块5、处理器6和显示器7。
探头1包括多个阵元的阵列，多个阵元的全部和部分在发射电路2的激励下发射超声波。探头1和发射电路2用于执行上述步骤S11，即通过发射电路2激励探头1向扫描对象发射发散超声波束，利用发散超声波束对扫描对象进行扫描。基于相控阵探头向扫描对象的心脏发射发散超声波束时，发散超声波束所限定的扫描区域可以覆盖整个心脏。发射电路2控制探头1阵元的发射时延，形成不同超声波传播方向(或称为不同虚拟焦点)的发散超声波束的方式如上所述，不再重复描述。探头1和发射电路2还用于执行上述步骤S21，即向扫描对象交替发射聚焦超声波束和发散超声波束。发射电路通过调控发射脉冲激励的发射时延，使多个阵元在不同时间受激发射超声波，形成发散超声波束或聚焦超声波。
探头1、接收电路4和波束合成模块5用于执行上述步骤S12，探头1自扫描对象接收发散超声波束的回波，转换为第一电信号，接收电路4接收该第一电信号，波束合成模块5对该第一电信号进行波束合成处理，获得发散超声回波信号。波束合成模块5可基于发散线或发散超声波的扫描区域内的各像素点进行波束合成。探头1、接收电路4和波束合成模块5还用于执行上述步骤S22，除获得发散超声回波信号之外，探头1、接收电路4和波束合成模块5也接收聚焦超声波束的回波，获得聚焦超声回波信号。
处理器6用于执行上述步骤S13和S23。多次发射发散超声波束后，处理器6基于对应产生的一组发散超声回波信号，计算选择出的扫描对象的目标点的速度方向和在速度大小，生成该目标点的血流速度矢量信息。例如，处理器6可基于壁滤波或斑点追踪的方法进行超声血流成像的相关计算。多次发射聚焦超声波束后，处理器6对获得的聚焦超声回波信号进行灰阶图像处理，得到至少一部分的扫描对象的超声图像。处理器6也可对获得的发散超声回波信号进行灰阶图像处理，得到至少一部分的扫描对象的超声图像。
显示器7用于执行上述步骤S14和S24，在显示器上同步显示超声图像和该图像内目标点的血流速度矢量信息。
综上所述，本发明所提供的超声成像系统及其成像方法利用发散超声波束进行超声血流成像，发散超声波束可提供更大的扫描区域，甚至在使用相控阵探头应用于心脏扫描时，也能实现近似梯形的扫描区域，从而实现对整个心脏的高帧率扫描。本发明利用发散超声波束和聚焦超声波束进行交替扫描，可以确保既得到高质量的灰阶超声图像，又得到直观显示的向量血流信息。
本文参照了各种示范实施例进行说明。然而，本领域的技术人员将认识到，在不脱离本文范围的情况下，可以对示范性实施例做出改变和修正。例如，各种操作步骤以及用于执行操作步骤的组件，可以根据特定的应用或考虑与系统的操作相关联的任何数量的成本函数以不同的方式实现(例如一个或多个步骤可以被删除、修改或结合到其他步骤中)。
另外，如本领域技术人员所理解的，本文的原理可以反映在计算机可读存储介质上的计算机程序产品中，该可读存储介质预装有计算机可读程序代码。任何有形的、非暂时性的计算机可读存储介质皆可被使用，包括磁存储设备(硬盘、软盘等)、光学存储设备(CD-ROM、DVD、Blu Ray盘等)、闪存和/或诸如此类。这些计算机程序指令可被加载到通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理设备上以形成机器，使得这些在计算机上或其他可编程数据处理装置上执行的指令可以生成实现指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可以存储在计算机可读存储器中，该计算机可读存储器可以指示计算机或其他可编程数据处理设备以特定的方式运行，这样存储在计算机可读存储器中的指令就可以形成一件制造品，包括实现指定功能的实现装置。计算机程序指令也可以加载到计算机或其他可编程数据处理设备上，从而在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生一个计算机实现的进程，使得在计算机或其他可编程设备上执行的指令可以提供用于实现指定功能的步骤。
虽然在各种实施例中已经示出了本文的原理，但是许多特别适用于特定环境和操作要求的结构、布置、比例、元件、材料和部件的修改可以在不脱离本披露的原则和范围内使用。以上修改和其他改变或修正将被包含在本文的范围之内。
前述具体说明已参照各种实施例进行了描述。然而，本领域技术人员将认识到，可以在不脱离本披露的范围的情况下进行各种修正和改变。因此，对于本披露的考虑将是说明性的而非限制性的意义上的，并且所有这些修改都将被包含在其范围内。同样，有关于各种实施例的优点、其他优点和问题的解决方案已如上所述。然而，益处、优点、问题的解决方案以及任何能产生这些的要素，或使其变得更明确的解决方案都不应被解释为关键的、必需的或必要的。本文中所用的术语“包括”和其任何其他变体，皆属于非排他性包含，这样包括要素列表的过程、方法、文章或设备不仅包括这些要素，还包括未明确列出的或不属于该过程、方法、系统、文章或设备的其他要素。此外，本文中所使用的术语“耦合”和其任何其他变体都是指物理连接、电连接、磁连接、光连接、通信连接、功能连接和/或任何其他连接。
具有本领域技术的人将认识到，在不脱离本发明的基本原理的情况下，可以对上述实施例的细节进行许多改变。因此，本发明的范围应根据以下权利要求确定。

Claims (14)

1.一种超声血流成像方法，其特征在于，包括：
向扫描对象的心脏发射至少三个不同虚拟焦点下的发散超声波束，且不同虚拟焦点下的发散超声波束至少发射两次，不同虚拟焦点下的发散超声波束的扫描区域均覆盖所述扫描对象的心脏区域；
接收不同虚拟焦点下的发散超声波束的回波，分别获得多组发散超声回波信号，一组发散超声回波信号包括一个虚拟焦点下的至少两次发散超声回波信号；
基于每一组发散超声回波信号，计算所述扫描对象的心脏区域内目标点的速度分量；
将基于所有组发散超声回波信号获得的速度分量进行速度合成，得到心脏区域内目标点的血流速度矢量信息；以及
获取所述扫描对象的心脏区域的至少一部分的二维灰阶超声图像；以及
在所述二维灰阶超声图像上叠加所述心脏区域内目标点的血流速度矢量信息，并同步显示所述二维灰阶超声图像和所述心脏区域内目标点的血流速度矢量信息；其中，向所述扫描对象的心脏发射聚焦超声波束，基于发射所述聚焦超声波束得到的聚焦超声回波信号，计算所述扫描对象的心脏区域的灰度信息，生成所述二维灰阶超声图像；采用插值方式补充因插入聚焦波而缺失的发散超声回波信号；插值计算时，采用相同虚拟焦点的发散超声波束的回波信号进行插值；
其中，各个虚拟焦点的位置不同，不同虚拟焦点下的发散超声波束的扫描区域至少部分重合，且重合部分的扫描区域大致为覆盖所述扫描对象的心脏区域的梯形扫描区，所述梯形扫描区在远离阵元平面方位上的尺寸大于在靠近阵元平面方位上的尺寸；
其中，以一组发射时延激励探头的多个阵元分时向所述扫描对象的心脏发射超声波、以形成一个虚拟焦点下的发散超声波束，所述一组发射时延中，距离该虚拟焦点近的阵元的超声波发射时间早于距离该虚拟焦点远的阵元的超声波发射时间；不同虚拟焦点下的发散超声波束对应的一组发射时延不同。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标点的速度分量的方向为虚拟焦点与所述心脏区域内目标点的连线方向。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，向所述扫描对象的心脏交替发射各个虚拟焦点下的发散超声波束。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，向所述扫描对象的心脏交替发射各个虚拟焦点下的发散超声波束和聚焦超声波束。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各个虚拟焦点下的发散超声波束和聚焦超声波束逐次交替发射；
或者，各个虚拟焦点下的发散超声波束交替发射，且在多次交替发射的所述发散超声波束之间插入一次或多次聚焦超声波束；
或者，各个虚拟焦点下的发散超声波束交替发射，且在多次交替发射的所述发散超声波束之间分时发射多次聚焦超声波束。
6.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述发散超声波束包括多条穿过虚拟焦点的发散线；
接收不同虚拟焦点下的发散超声波束的回波，分别获得多组发散超声回波信号，包括：接收不同虚拟焦点下的发散超声波束的回波以获得电信号，分别沿各个虚拟焦点下的发散超声波束的多条发散线对各个发散超声波束的电信号进行波束合成，获得多组发散超声回波信号。
7.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述显示心脏区域内目标点的血流速度矢量信息包括：
以运动的投射体形式，通过所述投射体的运动轨迹动态显示所述目标点的血流速度矢量信息；或者，在所述目标点处标记速度标识体，通过所述速度标识体的大小和方向指向静态显示所述目标点的血流速度矢量信息。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述投射体被颜色编码，且所述投射体的颜色编码的色彩类型或色彩深度与所述目标点的速度大小相关。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述投射体的投射体长度与所述目标点的速度大小相关。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述投射体的指向显示了所述目标点的速度方向。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述投射体为带箭头的线段，所述箭头的指向表示所述目标点的速度方向，所述线段的长度与所述目标点的速度大小相关。
12.一种超声成像系统，其特征在于，包括：
探头，用于发射发散超声波束、和接收发散超声波束的回波以获得第一电信号；
发射电路，用于激励所述探头向扫描对象的心脏发射发散超声波束，以对所述扫描对象的心脏进行扫描；还用于激励所述探头向扫描对象的心脏发射聚焦超声波束，所述聚焦超声波束和所述发散超声波束交替发射；所述探头自所述扫描对象接收所述聚焦超声波束的回波以获得第二电信号；
接收电路和波束合成模块，用于接收和处理所述第一电信号，获得发散超声回波信号；还用于接收和处理所述第二电信号、并获得聚焦超声回波信号；
采用插值方式补充因插入聚焦波而缺失的发散超声回波信号；插值计算时，采用相同虚拟焦点的发散超声波束的回波信号进行插值；
处理器，用于根据所述发散超声回波信号，获得所述扫描对象的血流速度矢量信息；还用于根据所述聚焦超声回波信号获得所述扫描对象的二维灰阶超声图像；以及
显示器，用于同步显示所述二维灰阶超声图像和所述血流速度矢量信息；
所述发射电路激励所述探头向所述扫描对象的心脏发射具有至少三个不同虚拟焦点的多组发散超声波束，所述接收电路和波束合成模块基于至少三个不同虚拟焦点的多组发散超声波束对应获得多组发散超声回波信号，所述处理器根据所述多组发散超声回波信号获得多项速度分量，并合成多项速度分量以获得所述扫描对象的血流速度矢量信息；
所述具有至少三个不同虚拟焦点的多组发散超声波束复合形成的扫描区域为近似梯形的扫描区域，所述近似梯形的扫描区域在远离阵元平面方位上的尺寸大于在靠近阵元平面方位上的尺寸。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述具有至少三个不同虚拟焦点的多组发散超声波束交替发射。
14.根据权利要求12或13所述的系统，其特征在于，所述探头包括多个阵元，所述发射电路通过调控发射脉冲激励的发射时延，使所述多个阵元在不同时间受激发射超声波、形成所述发散超声波束。
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