CN113348378A - 具有置信度估计的声衰减系数的超声成像 - Google Patents
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Abstract
一种超声系统根据脉冲回波信号来产生声衰减系数图。使用不同的衰减系数或斜率估计方法产生图，并且将来自不同估计方法的多个图复合以产生最终的衰减系数图。也可以针对一个或多个衰减系数图生成置信度图，并且显示的置信度图或其量度用于确定针对复合过程的权重。
Description
技术领域
本发明涉及超声成像系统，并且具体而言，涉及具有置信度估计的声衰减系数图的成像。
背景技术
脉冲回波超声成像系统向像场上发射声能量的波束。当每个发射的波束遇到声反射体和组织边界时，发射能量中的一些被反射回发射换能器并且作为回波被接收。以此方式，随着超声束能量更深地传播到身体中，从越来越深的组织接收到一系列回波。回波的幅值被检测并且与它们的接收时间相对应地被显示，接收时间对应于它们被接收的深度。所述显示从而揭示身体内的组织结构的特征。但是，当波束能量穿过组织并沿波束的路径遇到声学散射体时，其被连续地衰减。该衰减将导致接收到来自近场组织的一般较强的回波，以及来自较深组织的一般较弱的回波。如果不对这种影响进行补偿，所得到的图像在近场(来自较高幅值的回波)中显得更亮，并且，由于接收到较低的回波幅度而在远场中显得更暗。这种效应的常见补偿是时间增益控制(TGC)，其中，当接收器从越来越深的深度接收回波信号时，接收器增加对回波信号的放大。超声系统配备了TGC设置，其使得用户能够选择在不同深度应用的增益，超声系统从其计算TGC曲线，以用于在回波接收期间的连续增益变化。超声系统通常还配备有预先确定的TGC曲线，经验表明这些曲线对于不同的组织类型是标称的。因此，用户可以为腹部检查调用针对肝脏的标称TGC曲线，或者在对乳房成像时调用不同的标称TGC曲线。
虽然标称曲线可以提供特定组织类型的平均特征，但它们不能进一步区分每个特定组织类型，例如由于组织密度、成分、位置差异和其他特性而导致的人与人之间的衰减差异。因此期望知道被诊断的特定组织的衰减特性，而不是依赖于标称或平均特性。因此，已经致力于通过估计和显示超声像场中每个点的衰减程度来在体内测量针对对象的衰减特性。参见，例如，Walach等人的“Local Tissue Attenuation Images Based on Pulsed-Echo Ultrasonic Scans”,IEEE Trans.On Biomedical Engineering,vol.BME-33,no.7,1986年7月，第637-43页。Walach等人提出像场中的这种局部衰减图可用于精确定位组织病理，因为其衰减特性与健康组织的衰减特性不同。
然而，用于产生这种衰减图的估计通常取决于对组织做出的特定假设，例如组织的局部均匀性，在整个像场中可能并非如此。其他误差源包括由像差、纹波、孔径阻挡、杂波或其他不利条件引起的与频率相关的声学衍射的影响。因此，期望在像场中产生较少受此类误差源影响的声学衰减图。
发明内容
根据本发明的原理，描述了一种用于更准确地估计超声像场上的声学衰减系数的超声成像系统和信号处理技术。本发明的系统和技术利用不同的技术来针对像场产生不同的衰减系数图。然后将不同的图复合以产生最终的衰减系数图。当组合个体图以获得更高的准确度时，可以使用每个图的估计的可靠性及其局部衰减系数的置信度量度。
附图说明
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2a和2b分别图示了使用谱差分方法和最大似然方法获得的衰减系数图。
图3a和3b图示了针对具有不同声散射特性的像场衰减系数图的置信度图。
具体实施方式
现在参考图1，以框图形式示出了根据本发明的原理构造的超声诊断成像系统。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息。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。换能器阵列12被耦合到探头中的任选的微波束形成器14，所述微波束形成器14控制由阵列元件进行的信号的发送和接收。微波束形成器能够对由换能器元件的组或“面片”接收的信号的至少部分波束形成，如在美国专利US 5997479(Savord等人),US 6013032(Savord)，以及US 6623432(Powers等人)中所描述。微波束形成器通过探测线缆耦合到发射/接收(T/R)开关16，其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的控制下的从换能器阵列12的超声束的发射由耦合到T/R开关和主波束形成器20的波束形成器控制器18指示，其从用户对用户接口或控制面板38的操作接收输入。由发射波控制器控制的发射特性包括发射波形的数量、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。大多数阵列长度相对较小的一维阵列探头，例如，128个元件的阵列，不使用微波束形成器，而是被驱动并直接对主波束形成器进行响应。
由换能器元件的邻接的组接收到的回波，通过适当地对其进行延迟并且然后将其组合来进行波束形成。由微型波束形成器14从每个面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处，来自换能器元件的各个面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来自没有微波束形成器的一维阵列元件的回波信号被组合。例如，主波束形成器20可以具有128个信道，每个信道从12个换能器元件的面片或者从个体元件接收部分波束形成的信号。以此方式，由二维阵列换能器的1500多个换能器元件接收的信号可以有效地形成单个波束形成的信号，并且组合从图像平面接收的信号。
微波束形成器14或波束形成器20还包括放大从换能器阵列12的每个元件或面片接收的信号的放大器。这些放大器具有可控增益特性，其由存储在超声系统中的TCG曲线、用户界面38上的TGC控件或两者的组合控制。参见，例如，美国专利US 5482045(Rust等人)。因此，利用已经过时间增益控制补偿的回波信号，通过对来自各个换能器元件或面片的信号进行延迟和求和来进行波束形成。
相干回波信号经过由信号处理器26进行的信号处理。该处理可包括复合和/或滤波。在特定实施例中，滤波包括应用一个或多个滤波器，包括数字滤波器.w.经滤波的回波信号可以被耦合到正交带通滤波器(QBP)28。QBP执行三个功能：对RF回波信号数据进行频带限制，产生回波信号数据的同相和正交的对(I和Q)，并对数字采样率进行抽取。QBP包括两个单独的滤波器，一个产生同相样本，另一个产生正交样本，其中，每个滤波器由多个实现FIR滤波器的乘法器累加器(MAC)形成。信号处理器还可以将所述频带移位到较低的或基带频率范围，如QBP能够进行的。例如，所述信号处理器26的所述数字滤波器能够是在美国专利US 5833613(Averkiou等人)中所公开的类型的滤波器。
可以使用本领域已知的一种或多种技术来完成复合。复合可能涉及平均包络/幅值，利用或者不利用对数压缩。通常复合发生在QBP之后。
经波束形成和处理的相干回波信号被耦合到B模式处理器30，所述B模式处理器30产生针对诸如组织的身体结构的B模式图像的信号。B模式处理器通过以(I2+Q2)1/2的形式计算回波信号幅值来执行正交解调的I和Q信号分量的幅值(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存储来自像场中离散点的回波信号的集合，然后将其用于通过快速傅立叶变换(FFT)处理器估计图像中的点处的多普勒频移。采集系集的速率决定了系统可以精确测量并在图像中描绘的运动速度范围。多普勒频移与像场中各点的运动成正比，例如，血流和组织运动。对于彩色多普勒图像，对血管中每个点的估计多普勒血流值进行壁滤波，并使用查找表将其转换为彩色值。壁滤器具有可调节的截止频率，所述截止频率高于或低于该截止频率，在对流动的血液进行成像时，将拒绝诸如血管壁的低频运动的运动。B模式图像信号和多普勒血流值被耦合到扫描转换器32，扫描转换器32将B模式和多普勒样本从其采集的R-θ坐标转换为笛卡尔(x，y)坐标，以期望的显示格式显示，例如，直线显示格式或扇区显示格式。B模式图像或多普勒图像可以单独显示，或者两者在解剖配准中一起显示，其中，彩色多普勒叠加图显示图像中组织和血管中的血流，如图3a-3b中所示。另一显示可能性是显示已被不同地处理的相同解剖结构的并排图像。在比较图像时，此显示格式很有用。
经扫描转换的图像被耦合到图像数据存储器36，在图像数据存储器36中，其被存储在根据采集图像值的空间位置可寻址的存储器位置中。来自3D扫描的图像数据可以由体积绘制器42访问，其将3D数据集的回波信号转换为从给定参考点观看的投影3D图像，如美国专利US 6530885(Entrekin等人)中所描述。由体积绘制器42产生的3D图像和由扫描转换器32产生的2D图像被耦合到显示处理器48以进一步增强、缓存和临时存储以在图像显示器40上显示。
根据本发明的原理，图1的超声系统包括产生声衰减系数估计的图像图的子系统。该子系统包括衰减系数估计器50。衰减系数估计器可以根据波束形成的数据(20的输出)、QBD滤波数据(28的输出)或扫描转换的图像数据(32的输出)来生成系数图。通常输入是RF或IQ数据。衰减系数估计器能够使用不同的系数估计方法来产生不同的衰减系数图。系数估计处理器结合参考值的图来对RF(或I/Q)值进行操作，例如来自同质组织模型的RF数据、功率谱的理论模型或者功率谱的数值模拟。参考值图被存储在衰减系数估计器或可由衰减系数估计器访问的存储器中。
由衰减系数估计器产生的不同衰减系数图被耦合到置信度估计器52，置信度估计器52产生估计的置信度的空间上对应的图，要么是单个衰减系数图的要么是一个衰减系数图相对于另一个的。但是应理解，在一些情况下，衰减系数估计器50和置信度估计器52可以是相同或不同的过程，因为置信水平是衰减系数估计过程的副产品)。衰减系数图和置信度估计的结果被耦合到衰减系数图复合器54，其在逐个像素的基础上复合(组合)系数图值，例如通过加权平均，其中加权通过置信度估计而被确定。结果是最终衰减系数图不是由单一的估计方法产生的，而是由几种估计技术的组合产生的，并且考虑了由置信度估计所指示的不同技术的可靠性。最终的衰减系数图被耦合到图形处理器44，所述图形处理器44格式化该图以供显示，如通过相对于缩放的颜色值范围来对图的系数值进行颜色编码。衰减系数图被耦合到显示处理器48以在图像显示器40上进行显示。任选地，也可以以相同的方式显示置信度估计图，使得用户能够评估在像场的特定感兴趣区域(ROI)中所进行的衰减估计的可靠性。
衰减系数估计器50的处理器可以使用用于估计像场上的声学衰减系数值的多种技术中的任一种，下面描述其中的三种。它们是谱差分方法、谱对数差分方法和最大似然方法，如Y.Labyed和TABigelow，“A theoretical comparison of attenuation measurementtechniques from backscattered ultrasound echoes”,J.Acoust.Soc.Am.,vol.129,no.4,第2316-2324页(2011年)中描述的那些方法，通过引用并入本文。脉冲回波信号的声衰减系数(单位为dB/cm或其等价单位)或声衰减系数斜率(单位为dB/cm/MHz或其等价单位)的估计可以基于以下表达式：
Ss(f，z)＝P(f)Ds(f，z)As(f，z0)Bs(f，z)exp[-4αs(f) (z-z0)],[1]
以及
Sr(f，z)＝P(f)Dr(f，z)Ar(f，z0)Br(f，z)exp[-4αr(f)(z-z0)]， [2]
其中，下标s和r分别表示组织样本和参考；f是频率；z是像场中的深度；S(f，z)是来自以深度z为中心的感兴趣区域(ROI)的测量功率谱；P(f)是传感器响应与发射脉冲的频谱的组合；D(f，z)是衍射效应；z0是ROI的起始深度；A(f，z0)是从换能器表面到深度z0的累积衰减效应；B(f，z)是声散射的影响；并且α(f)是ROI中的衰减系数。通过使用Sr(f，z)从均匀的参考模型并假设组织样本和参考的声速相同，P(f)和Ds(f，z)被抑制，并且以下表达式将成立：
根据这些起始关系，可以如下地计算用于估计像场上的衰减系数的三种方法。
A.谱差分方法。
谱差分方法假设上面表达式[3]中的项
与z无关。因此，
其中，
并且αs(f)在给定的频率f可以通过估计
相对于z的斜率得到。注意参考的衰减系数，αr(f)，是已知的。在软组织中，α可以建模为：
α(f)＝βfn. [5]
当假设n＝1时，则αr(f)＝βrf，并且αs(f)＝βsf，并且
衰减系数斜率βs然后可以被估计为：
其中，w(f)是加权函数。请注意，假设散射效应Bs与深度z无关，G(f)的效应在关于z的微分后消失。当散射的深度独立性假设成立时，谱差分方法通常优于其他方法，例如下面描述的最大似然(ML)方法。当该假设成立时，由谱差分方法产生的衰减系数斜率图如图2a中所示。
B.谱对数差分方法。
该方法的实施开始于假设声学散射在组织的一个深度处的影响与另一深度处的影响通过常数相关。即，Bs(f，z2)＝cBs(f，z1)，其中，c是常数。然后
其中，再次，参考的衰减系数αr(f)是已知的。通过再次考虑[5]中的组织模型，这导致
其是频率f的函数。三个未知数，衰减系数斜率βs、n、和ln[c]，然后可以通过曲线拟合来估计。这种技术的示例可以在Y.Labyed和T.A.Bigelow的“Atheoreticalcomparison of attenuation measurement techniques from backscatteredultrasound echoes,”J.Acoust.Soc.Am.,vol.129,no.4,第2316-2324页(2011年)中找到。
C.最大似然方法。
该方法首先假设表达式[9]中的n＝1。然后αr(f)＝βrf和αs(f)＝βsf，并且表达式[9]变为：
衰减系数斜率的最大似然(ML)估计βs是
其中，hML是针对
和频率
的解。项hML可以使用牛顿的逐次逼近方法迭代地找到。给定第n个估计hn，则
图2b图示了由最大似然方法产生的衰减系数斜率图。
上述衰减系数映射技术表明，不同的方法涉及不同的假设。对于被分析的给定组织，不同假设的相对有效性将导致一种方法对于衰减系数估计比另一种方法更准确。例如，如前所述，当均匀散射体分布在像场深度上的假设成立时，谱差分方法通常在准确度上优于最大似然(ML)方法。正是这些准确度差异导致来自不同估计技术的映射的复合通常是衰减系数映射的更准确实现。根据本发明的另一方面，假设和准确度方面的这些差异导致关于其置信度或可信度来表征衰减系数图的能力。针对不同衰减系数图的置信度因子图由置信量度估计器52计算，并且用于显示整个像场中衰减系数的置信度，或用于根据它们的可信性来复合成不同的衰减系数图。例如，为了使衰减系数斜率估计的谱差分方法准确，需要以下表达式
独立于f。如果下式成立则其独立于f
可以通过计算下式来确定是否是这种情况：
在衰减系数斜率估计的置信度在u较小时较大并且在u较大时较小。以这种方式为通过谱差分方法计算的衰减系数斜率图的每个像素的计算的u值的图因此将告知用户衰减系数斜率图的可信性和整个衰减系数斜率图中针对ROI的系数斜率估计的准确性。原始衰减系数斜率图与其经平滑的版本(例如，经过中值滤波的版本)之间的差异也可以用于指示置信度，其中，较高的置信度值被分配给具有较低差异的像素。用于导出置信度量度的其他方法或度量包括纹理分析、流量测量、组织对声辐射力的响应以及预波束加和通道数据的相干性。图3a中图示了针对具有均匀散射体的像场通过谱差分方法计算的衰减系数斜率图的u值的置信图的示例，并且图3b中图示了针对散射体密度随深度增加的像场通过谱差分方法计算的衰减系数斜率图的置信度图。复合置信度图可以从单个置信度图或具有适当权重的量度得出，同时考虑不同衰减系数图之间的一致性。例如，当针对一像素根据不同方法的衰减系数估计值彼此显著不同时，认为一致性较低，并且这些信息将用于调整针对该像素的不同方法的置信度或权重以获得最终衰减系数图。
衰减系数图复合器54通过将通过不同方法产生的衰减系数图复合来产生最终衰减系数图。在复合期间，具有更高置信度值和/或与其他图具有更高一致性的衰减系数(斜率)的图将在组合过程中被赋予更大的权重。例如，如果针对给定像素的来自一个图的衰减系数比来自其他图的系数具有更高的置信度值，则在组合过程中该系数值将比其他系数值被赋予更大的权重。如果来自两个图的衰减系数比来自第三个图的衰减系数具有更高的一致性，例如，彼此在5％以内，而来自第三个图的值与来自其他图的值相差20％，则系数在组合过程中，前两个图将获得更大的权重。不同图的复合以这种方式在逐个像素的基础上进行，直到产生了用于向用户显示的最终衰减图。如前所述，最终图可以单独显示，或者与一个或所有置信度图结合显示，或者优选地与合并置信度图结合显示。
应该理解，图1中的元件特征，例如波束形成器、信号处理器、QEP、波束形成控制器、图形处理器、衰减系数图复合器、置信度估计器、衰减系数估计器、b模式处理器、多普勒处理器、扫描转换器、图像存储器、体积绘制器和显示处理器可以由一个或多个处理器组合形成，这些处理器执行包括在与处理器相关联的一个或多个存储器上的指令。
应当注意，适用于本发明的实施方式的超声系统，特别是图1超声系统的部件结构，可以用硬件、软件或其组合来实现。超声系统和其控制器的各种实施例和/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。诸如用于衰减系数估计器50的参考值图的存储器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的任何其他电路或处理器。以上示例仅是示例性的，并且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)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。上面给出的用于衰减系数估计和映射的不同方法的公式，以及用于产生上述置信度图的计算通常由软件例程或在软件例程的指导下计算。此外，所述软件可以采用单独程序或模块的集合的形式，例如衰减系数计算模块，或衰减系数映射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)
1.一种产生像场的衰减系数图的超声成像系统，包括：
超声探头，其适于从像场中采集超声回波信号；
波束形成器，其适于处理所述超声回波信号以产生针对所述像场的超声图像的相干回波信号；
衰减系数估计器，其被耦合到所述波束形成器，并且适于估计针对所述像场的衰减系数的图的衰减系数值，
其中，所述衰减系数估计器还适于通过不同的衰减系数估计方法来产生多个衰减系数图；
衰减系数图复合器，其被耦合到所述衰减系数估计器，并且适于对通过不同衰减系数估计方法产生的所述多个衰减系数图进行复合；以及
显示器，其适于显示由所述衰减系数图复合器产生的衰减系数图。
2.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中，所述系数图是彩色编码的。
3.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中，所述衰减系数估计器还适于通过谱差分方法、谱对数差分方法和最大似然方法中的两种或更多种方法来估计衰减系数值。
4.根据权利要求3所述的超声成像系统，其中，所述谱差分方法适于假设在像场深度上的均匀散射体分布。
5.根据权利要求3所述的超声成像系统，其中，所述最大似然方法适于处理在像场深度上的非均匀散射体分布。
6.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中，所述衰减系数图复合器还适于逐像素地对由所述衰减系数估计器产生的所述衰减系数图中的两个或更多个进行复合。
7.根据权利要求6所述的超声成像系统，其中，所述衰减系数图复合器还适于通过加权平均来对由所述衰减系数估计器产生的所述衰减系数图中的两个或更多个进行复合。
8.根据权利要求7所述的超声成像系统，其中，所述衰减系数图复合器还适于使用通过置信度估计确定的权重来对所述衰减系数图中的两个或更多个进行复合。
9.根据权利要求7所述的超声成像系统，其中，所述衰减系数图复合器还适于使用通过被复合的图的衰减系数的一致性确定的权重来对所述衰减系数图中的两个或更多个进行复合。
10.根据权利要求1所述的超声成像系统，还包括被耦合到所述衰减系数估计器的置信度量度估计器，所述置信度量度估计器适于产生与衰减系数图相对应的置信度估计图。
11.根据权利要求10所述的超声成像系统，其中，所述衰减系数图复合器还适于使用考虑置信度估计的所述图确定的权重来对所述衰减系数图中的两个或更多个进行复合。
12.根据权利要求10所述的超声成像系统，其中，所述显示器还适于显示置信度估计的所述图。
13.根据权利要求1所述的超声成像系统，还包括存储器，所述存储器适于存储参考值的图，
其中，所述参考值包括组织体模的功率谱测量结果。
14.根据权利要求1所述的超声成像系统，还包括存储器，所述存储器适于存储参考值的图，
其中，所述参考值包括功率谱的理论模型或功率谱的数值模拟。
15.根据权利要求1所述的超声成像系统，还包括被耦合到所述衰减系数估计器的置信度量度估计器，所述置信度量度估计器适于通过纹理分析、流量测量、组织对声学辐射力的响应以及预波束加和通道数据的相干性的方法中的一种或多种来产生置信度估计的图。
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