CN117100317B - 一种大孔径超快超声成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物医学影像技术领域，公开了一种大孔径超快超声成像系统及方法，包括超声发射模块和大孔径超声换能器阵列；超声发射模块用于生成发射脉冲序列，所述发射脉冲序列通过不同波形的脉冲同时或按发射延时激发大孔径超声换能器阵列上的发射单元，形成超声脉冲波，多个发射脉冲序列激发生成的多个超声脉冲波组成一组超快超声序列；大孔径超声换能器阵列包括多个超声换能器单元，所述超声换能器单元用于接收超声发射模块生成的发射脉冲序列，并将发射脉冲序列转换为超声脉冲波向待测物发射。本发明成像速率得到较大提升，探测角度完整，成像细节丰富，边界信息更加完整，同时提高了对不同方向血流多普勒信号的灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于生物医学影像技术领域，尤其涉及一种大孔径超快超声成像系统及方法。
背景技术
超声成像作为医学影像技术中最为广泛使用的检查手段，基本原理是超声在人体中传播时，由于人体中的组织结构分布差异导致的声阻抗差异，超声在传播过程中发生反射、散射并被超声阵列接收并通过硬件或软件波束形成重建图像。
超声层析成像通常采用圆形、多边形超声阵列等大孔径超声换能器阵列实现超声发射和接收，反射式超声层析成像通过逐一激发大孔径超声换能器阵列上的单个单元并接收回波信号进行成像，存在数据量大、成像速度慢等缺点，导致难以在临床中推广使用。
超快超声成像技术作为新一代超声技术，其所具备的高帧频和高灵敏度的特点突破了传统超声成像的性能局限。超快超声的主要实现方式是平面波成像技术，采用一次发射即可得到整个成像区域内的回波信号，其脉冲重复频率等于帧频，但由于缺少发射聚焦，成像信噪比低，成像质量差。
现有的超快超声成像技术多使用一个线性阵列，由于一个线性阵列的发射方向性限制，平面波的倾斜角度不宜过大，进一步限制了其对垂直阵列方向的器官组织边界及平行阵列方向的多普勒信号的探测灵敏度。同时由于线性阵列的接收孔径有限，仅能接收到部分超声反射、散射回波信号，限制了成像分辨率、对比度等。
发明内容
本发明目的在于提供一种大孔径超快超声成像系统及方法，以解决上述的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的大孔径超快超声成像系统及方法的具体技术方案如下：
一种大孔径超快超声成像系统，包括超声发射模块和大孔径超声换能器阵列，
所述超声发射模块用于生成发射脉冲序列，所述发射脉冲序列通过不同波形的脉冲同时或按发射延时激发大孔径超声换能器阵列上的发射单元，形成超声脉冲波，多个发射脉冲序列激发生成的多个超声脉冲波组成一组超快超声序列；
所述大孔径超声换能器阵列包括多个超声换能器单元，所述超声换能器单元用于接收超声发射模块生成的发射脉冲序列，并将发射脉冲序列转换为超声脉冲波向待测体发射，所述超声脉冲波在待测体内传播过程中发生反射、散射，最终传播至大孔径超声换能器阵列被其接收并转换为超声回波信号。
进一步的，所述大孔径超声换能器阵列上不同超声换能器单元的成像区域内任意一点超声传播方向的最大角度差异在60°以上。
进一步的，所述大孔径超声换能器阵列包括以下几种形式：一个或多个弧形超声换能器阵列组成弧形大孔径超声换能器阵列；多个线性超声换能器阵列组成线性大孔径超声换能器阵列；多个超声换能器单元在空间中排布形成球面大孔径超声换能器阵列或多面体大孔径超声换能器阵列。
进一步的，所述超快超声序列包括一个或多个超声脉冲波，每个超声脉冲波在传播过程中完全覆盖并激发成像区域，在发射脉冲序列控制下，所述超声脉冲波为单一激发角度或多个不同激发角度的发散波、平面波、聚焦波的任意组合，通过改变发射延时或激发不同位置处的发射单元改变超声脉冲波的激发角度，所述聚焦波、平面波或发散波激发角度可变范围在-90°到90°之间。
进一步的，还包括数据采集模块，所述数据采集模块用于接收超声回波信号，实现模拟放大、模数转换、存储、传输并输出数字信号至图像重建模块。
进一步的，还包括系统控制模块，所述系统控制模块用于控制所述发射单元的数量、分布和所述发射脉冲序列性质、发射延时和所述数据采集模块的模拟放大增益、采样率参数。
进一步的，还包括图像重建模块，所述图像重建模块通过基于延迟求和的波束形成算法进行图像重建。
进一步的，所述图像重建模块通过超快超声序列中单个超声脉冲波沿某个角度激发得到的回波信号重建形成子图像，子图像上任意一点的灰度值为：
，
其中，/>为子图像上任意一点的坐标，/>为超声脉冲波激发角度，/>为超声回波信号，/>为超声传播时间，不同超声脉冲波激发得到的子图像相干叠加，得到最终重建图像；
所述超快超声序列为编码发射的超声脉冲波，所述编码发射在单次发射事件中同时发射多个发射信号幅度和激发角度经过编码的超声脉冲波，并在图像重建前对信号进行解码。
进一步的，所述大孔径超声换能器阵列由一个或多个弧形超声换能器阵列组成，单次发射事件中超快超声序列包括多个不同激发角度、不同信号幅度的平面波，空间域编码及解码的步骤如下：
S1：构造哈达玛矩阵；
S2：每次发射事件中，根据哈达玛矩阵每行或每列的元素，以对应幅度权重的发射序列同时激发多个不同区域的发射单元；
S3：根据每次发射事件的幅度权重对不同发射事件的超声回波信号求和，合成单个激发角度超声脉冲波的回波信号。
本发明还公开了一种大孔径超快超声成像系统的超快超声成像方法，包括如下步骤：
步骤1：超声发射模块生成发射脉冲序列激发大孔径超声换能器阵列，发射脉冲序列同时或按发射延时激发大孔径超声换能器阵列上的发射单元，生成超声脉冲波，多个发射脉冲序列激发生成的多个超声脉冲波，组成一组超快超声序列；
步骤2：大孔径超声换能器阵列接收超声发射模块生成的发射脉冲序列，以大孔径的超声激发角度向待测体发射超声脉冲波，覆盖目标成像范围；
步骤3：大孔径超声换能器阵列以大孔径的超声探测角度探测来自待测体的超声回波信号并传输至数据采集模块，进行模数转换、存储、传输并输出数字信号至图像重建模块进一步进行超声图像重建。
本发明的大孔径超快超声成像系统及方法具有以下优点：
本发明采用多个超声换能器单元形成大孔径超声换能器阵列，通过不同波形的脉冲同时激发或改变超声阵列单元的激发时间，从多个偏转的发射角度中获得同一成像区域的多帧平面波图像，并将多帧图像相干叠加得到复合图像，由于不同偏转角对应平面波图像叠加时的合成聚焦作用，该方法能够有效提高成像结果的信噪比，同时不同发射角度可改善图像的边缘缺失问题。
（1）成像速度快，相比反射式超声层析成像逐一激发超声换能器单元的成像方式，大孔径超快超声成像采用同时激发发射型超声换能器单元的方式，一次发射产生的超声脉冲波可辐射整个有效成像区域，采集到整个有效成像区域内的超声信号，使成像速率得到较大提升。
（2）探测角度完整，成像细节丰富，采用大孔径超声换能器阵列，能够覆盖更大的超声激发和超声接收角度，而现有超快超声技术多采用一个线性超声阵列，激发和探测角度有限，存在成像结果边界不完整、对平行阵列方向的血流多普勒信号灵敏度低等缺点，采用大孔径超声换能器阵列可使成像结果的边界信息更加完整，同时提高对不同方向血流多普勒信号的灵敏度。
附图说明
图1为本发明大孔径超快超声成像系统图。
图2为本发明基于弧形大孔径超声换能器阵列的超快超声成像系统图及聚焦波超快超声序列示意图。
图3（a）为本发明基于线性大孔径超声换能器阵列同时激发不同位置处的发射单元的超快超声成像系统图及平面波超快超声序列示意图。
图3（b）为本发明基于线性大孔径超声换能器阵列同时或延时激发相同位置处的发射单元的超快超声成像系统图及平面波超快超声序列示意图。
图4（a）为本发明基于弧形大孔径超声换能器阵列激发不同位置处的发射单元的超快超声成像系统图及发散波超快超声序列示意图。
图4（b）为本发明基于弧形大孔径超声换能器阵列调节虚拟源位置的超快超声成像系统图及发散波超快超声序列示意图。
图5为本发明基于球面大孔径超声换能器阵列的超快超声成像系统图及发散波超快超声成像序列示意图。
图 6 为本发明基于多面体大孔径超声换能器阵列的超快超声成像系统图集发散波超快超声成像序列示意图。
图7为单次发射事件中超快超声序列包括多个不同激发角度、不同信号幅度的平面波。
图中标记说明：1、超声发射模块；2、大孔径超声换能器阵列；3、系统控制模块；4、数据采集模块；5、图像重建模块、6、待测体。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种大孔径超快超声成像系统及方法做进一步详细的描述。
如图1所示，本发明的大孔径超快超声成像系统，主要包括超声发射模块1、大孔径超声换能器阵列2、数据采集模块4、系统控制模块3和图像重建模块5，其次还包括发射接收转换开关、前置放大电路和空间扫描模块。
本实施方式中的超声发射模块1，用于生成发射脉冲序列激发大孔径超声换能器阵列2，所述发射脉冲序列可通过不同波形的脉冲同时或按发射延时激发大孔径超声换能器阵列2上的发射单元，形成超声脉冲波，多个发射脉冲序列激发生成的多个超声脉冲波组成一组超快超声序列。
本实施方式中的大孔径超声换能器阵列2，包括多个超声换能器单元，大孔径超声换能器阵列2上不同超声换能器单元的成像区域内任意一点超声传播方向的最大角度差异在60°以上，用于接收超声发射模块1生成的发射脉冲序列，并将发射脉冲序列转换为超声脉冲波向待测体6发射，超声脉冲波由于待测体6内声阻抗分布差异，在待测体6内传播过程中发生反射、散射，最终传播至大孔径超声换能器阵列2被其接收并转换为超声回波信号。
如图2所示，所述大孔径超声换能器阵列2可包括一个或多个弧形超声换能器阵列，所述弧形超声换能器阵列的弧度范围在5°至359°，弧形超声换能器阵列组合形成弧形大孔径超声换能器阵列。
如图3（a）-3（b）所示，所述大孔径超声换能器阵列2还可包括多个线性超声换能器阵列，多个所述线性超声换能器阵列排列形成一个多边形或多边形的一部分，多个线性超声换能器阵列组合形成线性大孔径超声换能器阵列。
如图5所示，所述大孔径超声换能器阵列2还可包括多个超声换能器单元，所述超声换能器单元在空间排布成球面的一部分，形成球面大孔径超声换能器阵列。
如图6所示，所述大孔径超声换能器阵列2还可包括多个超声换能器单元，所述超声换能器单元在空间排布成多面体的一部分，形成多面体大孔径超声换能器阵列。
本实施方式中的数据采集模块4，接收超声回波信号，实现模拟放大、模数转换、存储、传输并输出数字信号至图像重建模块5。
本实施方式中的系统控制模块3，控制所述发射单元的数量、分布和所述发射脉冲序列性质、发射延时和所述数据采集模块4的模拟放大增益、采样率等参数。
本实施方式中的图像重建模块5，接收数据采集模块4输出的数字信号并根据所包含的幅度、时间、相位和频率信息重建待测体内的声阻抗差异分布。
本实施方式中的发射接收转换开关用以实现超声换能器单元在发射和接收模式下的切换。
本实施方式中的前置放大电路用于实现超声回波信号的预放大。
本实施方式中的空间扫描模块用于实现对待测物和大孔径超声。
所述系统的成像帧率配置为100fps或更高帧率，以实现超快超声成像。
超快超声序列包括一个或多个超声脉冲波，每个超声脉冲波在传播过程中完全覆盖并激发成像区域。在发射脉冲序列控制下，超声脉冲波可为单一激发角度或多个不同激发角度的发散波、平面波、聚焦波的任意组合。聚焦波、平面波或发散波激发角度可变范围在-90°到90°之间。
如图2所示，大孔径超声换能器阵列2由多个弧形超声换能器阵列组成，超快超声序列包括多个不同激发角度的聚焦波，通过发射脉冲序列同时或按发射延时激发所选大孔径超声换能器阵列上的发射单元，使所述超声脉冲波汇聚于超声阵列前，从而使超声脉冲波为聚焦波。发射脉冲序列通过激发不同位置处的发射单元，改变聚焦波的激发角度，依次发射波前1、波前2、波前3。
如图3（a）所示，大孔径超声换能器阵列2由多个线性超声换能器阵列组成，超快超声序列包括多个不同激发角度的平面波，发射脉冲序列通过同时激发不同位置处的发射单元，改变平面波的激发角度，依次发射波前1、波前2、波前3。
如图3（b）所示，大孔径超声换能器阵列2由多个线性超声换能器阵列组成，超快超声序列包括多个不同激发角度的平面波，发射脉冲序列通过同时或延时激发相同位置处的发射单元，使发射单元彼此激发相位呈现线性变化，依次发射波前1、波前2、波前3，实现调整平面波的激发角度和时间。
如图4（a）所示，大孔径超声换能器阵列2由多个弧形超声换能器阵列组成，超快超声序列包括多个不同激发角度的发散波，通过定义虚拟源，如图4（a）中虚拟源1、虚拟源2、虚拟源3，并使发射脉冲序列以与虚拟源相对应的相位延迟激发发射单元，可使超声脉冲波为发散波，通过激发不同位置处的发射单元可依次发射不同角度的发散波：波前1、波前2、波前3。
如图4（b）所示，大孔径超声换能器阵列2由多个弧形超声换能器阵列组成，超快超声序列包括多个不同激发角度的发散波，通过横向移动虚拟源，如图4（b）中虚拟源1、虚拟源3，并以与虚拟源相对应的相位延迟激发发射单元，可使发散波方向偏转，从而实现不同角度的发散波激发。通过将虚拟源靠近或远离阵列可以调节发散波的发散程度并以与虚拟源相对应的相位延迟激发发射单元，可以实现不同发散程度的发散波激发。
如图5所示，大孔径超声换能器阵列2由多个超声换能器单元组成，形成球面大孔径超声换能器阵列，超快超声序列包括多个不同激发角度的发散波，如图5中的波前1、波前2、波前3，图中的tx1和tx2表示发射单元的分布范围。
如图6所示，大孔径超声换能器阵列2由多个超声换能器单元组成，形成多面体大孔径超声换能器阵列，超快超声序列包括多个不同激发角度的发散波，如图6中的波前1、波前2，图中的tx1和tx2表示发射单元的分布范围。
本实施方式中的图像重建模块5可通过基于延迟求和的波束形成算法进行图像重建。所述超快超声序列中单个超声脉冲波沿某个角度激发得到的回波信号经重建可形成子图像，子图像上任意一点的灰度值为：
，
其中，/>为子图像上任意一点的坐标，/>为超声脉冲波激发角度，/>为超声回波信号，/>为超声传播时间，不同超声脉冲波激发得到的子图像相干叠加，得到最终重建图像。
本实施方式中的超快超声序列还可为编码发射的超声脉冲波，所述编码发射在单次发射事件中同时发射多个发射信号幅度和激发角度经过编码的超声脉冲波，并在图像重建前对信号进行解码以提高图像信噪比。
如图7所示，大孔径超声换能器阵列2由一个或多个弧形超声换能器阵列组成，单次发射事件中超快超声序列包括多个不同激发角度、不同信号幅度的平面波，空间域编码及解码的步骤如下：
S1：构造哈达玛矩阵；
S2：每次发射事件中，根据哈达玛矩阵每行或每列的元素，以对应幅度权重的发射序列同时激发多个不同区域的发射单元；
S3：根据每次发射事件的幅度权重对不同发射事件的超声回波信号求和，合成单个激发角度超声脉冲波的回波信号。
本发明的一种大孔径超快超声成像方法，包括如下步骤：
步骤1：超声发射模块1生成发射脉冲序列激发大孔径超声换能器阵列2，发射脉冲序列同时或按发射延时激发大孔径超声换能器阵列上的发射单元，生成超声脉冲波，多个发射脉冲序列激发生成的多个超声脉冲波，组成一组超快超声序列；
步骤2：大孔径超声换能器阵列2接收超声发射模块生成的发射脉冲序列，以更大的超声激发角度向待测体6发射超声脉冲波，覆盖目标成像范围；
步骤3：大孔径超声换能器阵列2以更大的超声探测角度探测来自待测体的超声回波信号并传输至数据采集模块4，进行模数转换、存储、传输并输出数字信号至图像重建模块5进一步进行超声图像重建。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (8)
1.一种大孔径超快超声成像系统，包括超声发射模块（1）和大孔径超声换能器阵列（2），其特征在于，
所述超声发射模块（1）用于生成发射脉冲序列，所述发射脉冲序列通过不同波形的脉冲同时或按发射延时激发大孔径超声换能器阵列（2）上的发射单元，形成超声脉冲波，多个发射脉冲序列激发生成的多个超声脉冲波组成一组超快超声序列；
所述大孔径超声换能器阵列（2）包括多个超声换能器单元，所述超声换能器单元用于接收超声发射模块生成的发射脉冲序列，并将发射脉冲序列转换为超声脉冲波向待测体发射，所述超声脉冲波在待测体内传播过程中发生反射、散射，最终传播至大孔径超声换能器阵列（2）被其接收并转换为超声回波信号；
所述大孔径超声换能器阵列（2）上不同超声换能器单元的成像区域内任意一点超声传播方向的最大角度差异在60°以上；
所述大孔径超声换能器阵列（2）包括以下几种形式：一个或多个弧形超声换能器阵列组成弧形大孔径超声换能器阵列；多个线性超声换能器阵列组成线性大孔径超声换能器阵列；多个超声换能器单元在空间中排布形成球面大孔径超声换能器阵列或多面体大孔径超声换能器阵列。
2.根据权利要求1所述的一种大孔径超快超声成像系统，其特征在于，所述超快超声序列包括一个或多个超声脉冲波，每个超声脉冲波在传播过程中完全覆盖并激发成像区域，在发射脉冲序列控制下，所述超声脉冲波为单一激发角度或多个不同激发角度的发散波、平面波、聚焦波的任意组合，通过改变发射延时或激发不同位置处的发射单元改变超声脉冲波的激发角度，所述聚焦波、平面波或发散波激发角度可变范围在-90°到90°之间。
3.根据权利要求1所述的一种大孔径超快超声成像系统，其特征在于，还包括数据采集模块（4），所述数据采集模块（4）用于接收超声回波信号，实现模拟放大、模数转换、存储、传输并输出数字信号至图像重建模块。
4.根据权利要求3所述的一种大孔径超快超声成像系统，其特征在于，还包括系统控制模块（3），所述系统控制模块（3）用于控制所述发射单元的数量、分布和所述发射脉冲序列性质、发射延时和所述数据采集模块（4）的模拟放大增益、采样率参数。
5.根据权利要求4所述的一种大孔径超快超声成像系统，其特征在于，还包括图像重建模块（5），所述图像重建模块（5）通过基于延迟求和的波束形成算法进行图像重建。
6.根据权利要求5所述的一种大孔径超快超声成像系统，其特征在于，所述图像重建模块（5）通过超快超声序列中单个超声脉冲波沿某个角度激发得到的回波信号重建形成子图像，子图像上任意一点的灰度值为：
，
其中为子图像上任意一点的坐标，/>为超声脉冲波激发角度，/>为超声回波信号，为超声传播时间，不同超声脉冲波激发得到的子图像相干叠加，得到最终重建图像；
所述超快超声序列为编码发射的超声脉冲波，所述编码发射在单次发射事件中同时发射多个发射信号幅度和激发角度经过编码的超声脉冲波，并在图像重建前对信号进行解码。
7.根据权利要求6所述的一种大孔径超快超声成像系统，其特征在于，所述大孔径超声换能器阵列（2）由一个或多个弧形超声换能器阵列组成，单次发射事件中超快超声序列包括多个不同激发角度、不同信号幅度的平面波，空间域编码及解码的步骤如下：
S1：构造哈达玛矩阵；
S2：每次发射事件中，根据哈达玛矩阵每行或每列的元素，以对应幅度权重的发射序列同时激发多个不同区域的发射单元；
S3：根据每次发射事件的幅度权重对不同发射事件的超声回波信号求和，合成单个激发角度超声脉冲波的回波信号。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的大孔径超快超声成像系统的超快超声成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：超声发射模块（1）生成发射脉冲序列激发大孔径超声换能器阵列（2），发射脉冲序列同时或按发射延时激发大孔径超声换能器阵列上的发射单元，生成超声脉冲波，多个发射脉冲序列激发生成的多个超声脉冲波，组成一组超快超声序列；
步骤2：大孔径超声换能器阵列（2）接收超声发射模块（1）生成的发射脉冲序列，以大孔径的超声激发角度向待测体发射超声脉冲波，覆盖目标成像范围；
步骤3：大孔径超声换能器阵列（2）以大孔径的超声探测角度探测来自待测体的超声回波信号并传输至数据采集模块，进行模数转换、存储、传输并输出数字信号至图像重建模块（5）进一步进行超声图像重建。
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