CN117582246A - 用于构建介质的超声图像数据的过程的优化方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于构建介质的超声图像数据的过程的优化方法，其中，该方法包括：提供(a)所述介质的超声空间‑时间信号数据；根据所述信号数据，确定(c)所述介质的镜面反射特性；基于所述镜面反射特性，优化(d)所述过程。

Description

用于构建介质的超声图像数据的过程的优化方法和系统
技术领域
已知将(例如设置为阵列的)多个换能器元件或收发器用于通信、成像或扫描目的，例如在医学成像、雷达、声纳、地震学、无线通信、射电天文学、声学和生物医学领域。一个示例包括超声成像。
背景技术
超声成像的目的在于估计介质反射率。在常规超声成像方法中，可使用具有一组超声换能器元件的超声换能器设备(也称作超声探头)。在该方法中，将一个或多个换能器用于将一道或相继地数道超声波束发射到介质中，这对应于发射操作。然后，在接收操作中，通过相同或其它换能器元件组，接收来自介质的一组反向散射回波信号。具体地说，每个换能器元件将所接收的回波信号转换成例如电信号。可进一步由超声系统或任何相关联的(专用)系统处理信号。例如，信号可被放大、数字滤波，和/或可实施信号调节操作。换能器元件可设置为换能器行或换能器阵列或任何其它配置。
常规地，然后将所述信号传输到图像处理系统。可处理所接收的信号，例如使用波束成形方法，更具体地说延迟求和(DAS)波束成形方法，以生成所扫描的介质的图像数据。通常，波束成形可理解为常规地在传感器阵列中用于定向信号传输或接收的信号处理技术。该过程用于生成波束成形数据。换句话说，波束成形可理解为一种信号处理技术，其通过组合天线阵列(例如超声换能器)中的元件以使得组合的信号形成相长干涉(constructive interferences)而实现。
发明内容
本文所述系统和方法涉及用于优化用于构建介质的超声图像数据的过程的技术，该技术能够改善超声图像数据的质量，并有利地是快速的和/计算效率高的。例如，期望该方法和系统能够以预定成像帧率，例如50Hz，构建图像数据。换句话说，所述方法和系统期望地不在图像数据构建过程中造成明显延迟，并可例如能够实时或至少几乎实时成像。而且，期望地，该方法和系统能够实现改善的超声图像数据质量，并同时减少发射到介质中的超声波束的数量。
因此，提供一种优化用于构建介质的超声图像数据的过程的方法。该方法包括：
提供介质的超声空间-时间信号数据；
根据信号数据，确定介质的镜面反射特性；
根据镜面反射特性，优化成像过程。
通过提供这样的方法，变得能够改善超声图像数据质量，并且是以快速的和/或计效率高的方式。特别地，该方法能够改善常规延迟求和(DAS)波束成形过程。
更具体地说，本公开的方法能够在图像构建过程中，考虑到介质的镜面反射特性，并例如能够检测介质中的镜面反射体。由此，可调节并由此相应地优化用于构建图像数据的过程。这样的适应性的图像构建不仅能够改善图像数据质量，而且还能够减少所需的发射到介质中的超声波束的数量。
例如，本公开的方法能够使得更好地成像镜面反射体。
而且，本公开的方法能够是快速的和/或在计算方面高效的，这是因为它直接基于从介质接收的空间-时间(即在波束成形之前的或“原始”的)信号数据，确定介质的镜面反射特性。由此，无需进一步处理所述空间-时间信号数据。
确定镜面反射特性可包括：
对于介质中的空间区域，确定存在镜面反射体的概率和/或镜面反射体的镜面反射体角度；和
基于所确定的概率和/或镜面反射体角度，构建镜面反射特性地图。
而且，确定镜面反射特性可包括：
对于介质中的多个空间区域中的每个，确定存在镜面反射体的概率和/或镜面反射体的镜面反射体角度；和
基于所确定的概率和/或镜面反射体角度，构建镜面反射特性地图。
空间-时间信号数据可包括以下中的至少一项：
射频RF信号数据(例如调制RF信号数据)，同相、正交、IQ解调数据，
预波束成形超声数据，
多信道信号数据和/或每信道信号数据，由包括多个换能器元件的换能器设备获得的信号数据，其中，每个换能器元件的输出形成信号数据的一个信道。
所述过程可全部或部分是预定义的。
所述过程可包括波束成形过程，例如延迟求和(DAS)波束成形过程。介质的超声信号数据可被波束成形，以获得介质的图像数据。
所述过程可以是B模式成像过程或综合B模式成像过程(synthetic B-modeimaging process)。例如，由本申请人提交的EP2101191(A2)已知一种综合超声成像方法。
图像数据可以是B模式图像数据。
在所述过程中使用的和/或用于波束成形的信号数据可至少部分地对应于用于确定镜面反射特性的信号数据。这可例如是综合B模式的情况，在该情况下，发射平面波，所收集的RF数据可用于B模式成像和镜面反射确定(判定)两者。
所述过程和/或波束成形过程可包括：
根据介质中的预定空间区域，确定信号数据的至少一个子集；和
基于该子集，确定空间区域的图像数据。
可例如通过延迟求和(DAS)波束成形方法确定子集。
空间区域的图像数据可例如是像素或立体像素(voxel)。
由子集代表的空间区域可对应于由存在镜面反射体的概率代表的空间区域。然而，它们也可彼此不同，例如具有更高或更低的分辨率。在该情况下，期望的是提供两种类型的空间区域之间的映射。
子集可包括信号数据的空间和时间选集，即包括空间和时间分量的选集。换句话说，子集可根据所用DAS波束成形方法，选自RF信号数据。
空间和时间选集的空间选集，即空间分量，可限定接收孔径和/或用于形成子集的信道选集。
空间和时间选集的时间选集，即时间分量，可基于预定的延迟算法(例如由所用DAS波束成形方法所限定)。相应地，根据所用DAS波束成形方法，所选择的信道数据可彼此具有特定的延迟。
还可根据与从预定空间区域接收的响应信号相关联的估计的接收角度，来确定空间和时间选集。
可通过根据所确定的在空间区域处识别的镜面反射体的镜面反射体角度改变接收角度，来调节空间和时间选集。
相应地，在常规(DAS)波束成形方法中，所发射的波束的角度可估计为等于接收角度(例如0°，即垂直于所用换能器元件的换能器阵列)，而在本公开的方法中，估计的接收角度可有利地不同于发射角度。
可通过根据镜面反射特性改变(移位)和/或限制空间选集，调节空间和时间选集。
还可根据由用于从预定空间区域接收响应信号的信道选集限定的接收孔径，来确定空间和时间选集。
可通过相应改变和/或减小孔径，改变和/或限制空间选集。相应地，孔径可由所用信道数量限定。
信道可对应于包括换能器元件阵列的换能器设备的一个换能器元件。
常规地，可预定义用于接收响应信号的信道的数量。可根据要收集图像数据的空间区域，确定它们相对于换能器阵列的相对位置。具体地说，相对位置常规地选择为使得所选信道直接位于空间区域前方(即接收角度为0°，即无倾斜)。然而，根据本公开，可根据所确定的镜面反射特性(尤其是在区域处已经检测到镜面反射体的情况下)，该相对位置，以及可选地所选信道的数量可以是适应性的(即调节适应，即改变适应)。
可对于整幅图像(即所扫描的所有区域)，优化所述过程。然而，还可行的是，仅对于与存在镜面反射体的概率高于预定阈值的空间区域关联的那些子集，优化所述过程。换句话说，可仅优化已经检查到镜面反射体的那些所扫描的区域。
介质的超声信号数据可与发射到介质中多个超声波或发射到介质中的至少一个超声波关联。
所发射的超声波可包括具有不同发射角度的非聚焦波和/或平面波。
相应地，由于平面波可用于确定镜面反射特性，尤其是镜面反射角度，可减少所需的发射到介质中的超声波束的数量。换句话说，为了覆盖给定镜面反射角度范围，需要发射的发射波更少。因此，需要更少的发射，因此能够有利地减小由本公开的方法导致的延迟，即其对成像帧率的影响。换句话说，能够在更短的时间内从介质获取更多的信息。
更详细地，当被入射平面波照射时，许多镜面反射体如活检针在反向散射回波中具有平面波声学特征。可有利地将该发射波束与接收声信号之间的对称性用于有效地计算反射体的镜面反射角度。相应地，所述方法可使得在计算方面更加有效。
而且，实际上，出于图像质量原因，可能期望的是，还具有聚焦B模式。这就是为什么具有(平面波和聚焦波的)复式序列可以是有利的。因此，与使用聚焦波束相比，使用平面波与聚焦B模式组合具有在更短的时间内完成对整个空间和镜面反射角度进行采样的优点。相应地，能够在更短的时间内获取更多的信息。
而且，提供超声信号数据可包括：
将超声波发射序列发射到介质中；和，
从介质接收超声波响应序列，其中超声信号数据基于超声波的响应序列。
可替代地，可由数据接口和/或数据存储，提供超声信号数据。
也可将响应序列理解为来自空间区域的响应信号。
可使用包括多个超声换能器元件的超声换能器设备，发射发射序列。
可使用其它或相同超声换能器设备，接收响应序列。
至少在综合B模式成像中，所提供的超声信号数据可用于确定镜面反射特性和构建B模式图像两者。
然而，一般可行的是，对于构建超声图像数据的过程，提供额外信号数据。相应地，所述过程可以还包括以下操作：
将超声波(例如聚焦波)发射序列发射到介质中；和
从介质接收超声波响应序列。
优化所述过程可包括：根据镜面反射特性，调节发射和/或接收。
相应地，可根据在介质中检测到的反射体，调节物理信号获取过程。例如，可调节超声波发射序列。例如，在发射平面波的情况下，可调节它们的发射角度以使得接收到的响应序列包括检测到的镜面反射体的超声RF数据。然而，即使发射角度不是可调的而是预定的，如上所述，本公开仍允许调节所用换能器设备的接收孔径。例如，可调节在综合B模式中的发射平面波的倾斜角度。
本公开可以还涉及一种构建介质的超声图像数据的方法。该方法可包括：
如上所述的用于构建介质的超声图像数据的优化方法；和
使用经优化的过程，构建介质的超声图像数据。
本公开也可涉及一种计算机程序，该计算机程序包括计算机可读指令，所述计算机可读指令在被数据处理系统执行时，使得数据处理系统实施根据本公开的任何示例的方法。在方法操作可包括超出单纯数据处理以外(例如超声波发射)的任何(物理)方面的操作的情况下，该计算机程序可以还包括这样的计算机可读指令：所述计算机可读指令在被数据处理系统执行时，使得系统的任何外部元件(例如超声换能器设备)实施这些操作。
本公开可涉及一种用于优化用于构建介质的超声图像数据的超声过程的系统。该系统包括处理单元，该处理单元被配置为：接收介质的超声空间-时间信号数据；根据信号数据确定介质的镜面反射特性；基于镜面反射特性优化所述过程。
该系统可例如包括或能够连接到获取超声空间-时间信号数据的换能器设备。还可行的是，该系统从外部数据系统，例如数据存储，接收超声空间-时间信号数据。
该系统可以还配置为实施上述方法特征或操作中的任一个。
上述元件和本说明书中的元件旨在可组合，除非另有矛盾。
应理解，以上概述和以下详述两者都仅是示例性且解释性的，是为了示意目的提供的，不限制所要求保护的本公开。
包括在本说明书中并构成其一部分的附图示出本公开的示例，与本说明一起用于支撑和示出本公开的原理。
附图说明
图1示出根据本公开的示例的超声系统的示意图。
图2示出根据本公开的用于优化构建介质的超声图像数据的过程的方法的流程图。
图3示出介质中的镜面反射体对平面波的示例性反射。
图4示出斯涅尔变换的示例性超声波波前的IQ插值。
图5示出示例性斯涅尔矩阵(左图)和对于γ0＝10°反射体的仿真和理论斯涅尔变换(右图)。
图6示出瑞利散射体(左)和关联的空间-时间信号数据(右)的常规重构图像的示例。
图7示出瑞利散射体和镜面反射体(左)和关联的空间-时间信号数据(右)的常规重构图像的示例。
图8示出图7的示例，其中，根据镜面反射体的倾斜角度调节接收角度。
图9示出图7和图8的示例，其中，根据镜面反射体的倾斜角度调节接收角度，但仅针对示出镜面反射体的像素。
具体实施方式
现在将详细参照本公开的示例，在附图中示出了本公开的示例。只要有可能，在所有附图中将使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分。
一般来说，常规波束成形过程假设接收到的信号是来自瑞利散射体(Rayleighdiffusors，即其典型尺寸比发射的脉冲波长小的散射体)的反向散射回波。
然而，位于例如人体内部的众多反射体，例如肌腱、肌纤维、分界面等，展示出镜面反射行为。这意味着对于这些反射体，反向散射声场主瓣的方向取决于斯涅尔笛卡尔定律(Snell-Descartes law)。大体上，它随着镜面反射体角度变化。因此，通过图像处理系统所获得的图像质量可能会由于所研究的区域中存在的这样的反射体而受损。
Rodriguez-Molares et.al.描述了一种考虑到镜面反射物理原理的可调波束成形技术。根据斯涅尔反射定律预测的镜面反射模式在整个接收数据池中检测，并将其用于增强镜面反射界面的可视化，参见例如：
Rodriguez-Molares,A.,Fatemi,A.,Torp,H.,&L.
(2016,September).Adaptive beamforming based on Snell’s lawofreflection.In 2016IEEE International Ultrasonics Symposium
(IUS)(pp.1-4).IEEE；和
Rodriguez-Molares,A.,Fatemi,A.,L.,&Torp,H.
(2017).Specular beamforming.IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,64(9),1285-1297.
本文所述系统和方法涉及用于优化构建介质的超声图像数据的过程的技术，尤其是在医疗成像的方面。所述方法尤其适于处理由换能器设备扫描的介质的信号数据。例如，所述方法可用于例如超声系统的设备中。
图1示出根据本公开的示例的超声系统100的示意图。图1所示的系统100适于收集介质10(例如有生命组织和/或尤其是人体组织)的超声空间-时间信号数据。系统100还配置为通过考虑到介质的镜面反射特性，以优化的方式构建介质10的超声空间-时间信号数据。该系统可包括例如：
·多个换能器元件21。换能器元件可配置为将脉冲发射(a)到介质中和/或可选地响应于将脉冲发射(a)到介质中，从介质接收(b)多个信号。可使用包括多个换能器元件21的换能器阵列。例如，如在常用探头中已知的，可设置通常包括沿着X轴(水平或阵列方向X)并置的数十个(例如100至300个)的换能器元件的线性阵列20。在该示例中，阵列20适于实施介质10的二维(2D)成像，但阵列20也可是适于介质10的3D成像的二维阵列。相应地，可使用换能器矩阵。然而，还可行的是，系统包括单行换能器，其在探头中可动，以使得能够实现3D成像。换能器阵列20也可是包括沿着曲线排齐的多个换能器元件的凸阵列。相同的一个或多个换能器元件可用于发射脉冲和接收响应，或不同的换能器元件用于发射和接收。可存在一个或多个发射换能器元件和多个接收换能器元件。在另一替代方案中，可仅使用接收具有不同空间特性(例如源自不同空间区域)的多个信号的单个换能器元件。换能器元件可例如是电子或物理可动的；
·控制换能器阵列并从其获取信号的电子控制设备30。电子控制设备30可以是还包括换能器元件21的探头的一部分。替代地，电子控制设备30可位于探头外部，或由部分是探头一部分且部分位于其外部的多个设备构成。
所述系统可以还包括用于控制电子控制设备30和/或例如将数据发送给外部设备(例如服务器、运行人工智能(AI)算法的计算机、专用工作站、展示数据、用于显示从电子控制设备获得的图像的设备，或任何其它外部设备)的处理单元(未示出)。相应地，根据本公开的方法，尤其是用于优化构建超声图像数据的过程的方法，可由电子控制设备30、处理单元，或任何外部设备中的至少一个来实施。而且，可由与优化过程相同或(至少部分地)不同的处理设备来实施构建超声图像数据的过程。
根据其它示例，系统100可包括至少一个处理单元(或处理器)和存储器。在示例中，处理器和存储器单元可如图1所描绘的，集成在系统中，也可是计算机或与其通信链接的计算机。取决于实际计算设备的配置和类型，(存储用于评估超声数据或实施本文所述方法的)存储器可以是易失性的(例如RAM)、非易失性的(例如RAM、闪存等)，或两者的某种组合。而且，系统100可以还包括存储设备(可移动的和/或不可移动的)，包括但不限于，磁性或光学盘或带。类似地，系统100可以还包括一个或多个输入设备，例如键盘、鼠标、笔、语音输入等，和/或一个或多个输出设备，例如显示器、扬声器、打印机等。在环境中还可包括一个或多个通信连接，例如LAN、WAN、点对点等。在实施例中，可实现连接以便利点对点通信、面向连接的通信、无连接通信等。
系统100通常包括至少某种形式的计算机可读介质。计算机可读介质可以是能够被处理单元(或处理器)或包括操作环境的其它设备访问的任何可获得的介质。示例性地但非限制性地，计算机可读介质可包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括易失性和非易失性、可移动和不可移动的在任何用于存储信息的方法或技术中实施的介质，例如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据。计算机存储介质不包括通信介质。
通信介质实施计算机可动指令、数据结构、程序模块或调制数据信号(例如载波)或其它传输机制中的其它数据，并包括任何信息传输介质。术语“调制数据信号”是指具有以对信号中的信息进行编码的方式设置或改变的一个或多个特征的信号。示例性地，但非限制性地，通信介质包括有线介质，例如有线网络或直接有线连接，和无线介质，例如声、RF、红外线、微波和其它无线介质。以上任何的组合也应包括在计算机可读介质的范围内。
系统100可以是在网络环境中操作的单个计算机，其使用到一个或多个远程计算机的逻辑连接。远程计算机可以是个人计算机、服务器、路由器、网络PC、对等设备或其它常见网络节点，并通常包括上述元件中的多个或全部，以及未在上文中提及的元件。逻辑连接可包括由可获得的通信介质支持的任何方法。这样的网络环境在办公室、企业范围内的计算机网络、内部网和互联网中是常见的。
换能器元件21可包括配置为生成和/或记录和/或接收信号的压电晶体和/或其它构件。除非另有指示，在整个本公开中，“换能器”和“换能器元件”这些术语可同义地使用。
换能器元件21可配置为生成和/或记录和/或接收信号，可选地超声信号。换能器元件21和/或电子控制设备30和/或处理单元可配置为确定空间-时间信号数据的相位特性。
图1中的Z轴是与X轴垂直的轴，例如在所检查的介质的深度方向。在本文中将该方向称作竖直或轴向方向。在Z轴方向上发射的超声波束可理解为具有0°的倾斜角度。
介质10可包括空间区域40。如在根据本公开的以下示例中更详细所述的，空间区域40可构成介质中的镜面反射体。介质10可包括多个这样的空间区域40。
本文所公开的系统是用于超声成像的设备，换能器元件是超声换能器元件，并且所实施的方法评估介质中的假设的波传播速度。介质10与空间-时间信号数据关联。所述方法可选地可生成介质10和/或介质10的空间区域40的超声图像和/或可将数据发送到专用服务器或工作站。
然而，所述系统可以是使用超声波以外的其它波(例如波长不同于超声波长的波和/或非声波的波)的任何成像或传感器设备，换能器元件和电子控制设备构件和相关元件则调整为适于所述波。
图2示出根据本公开的用于优化构建介质的超声图像数据的过程的方法的流程图。该方法可在图1的系统中实施。
该方法包括提供介质的超声空间-时间信号数据的操作(a)。空间-时间信号数据可以是波束成形之前的超声数据，即由包括多个换能器元件的换能器设备获得的“原始”多信道信号数据，其中，每个换能器元件的输出形成信号数据的一个信道。
例如，所述操作(a)可包括可选地将脉冲发射到介质中的操作(a1)。例如，该发射操作可包括用一个或多个平面波(即非聚焦波)，对介质进行声穿透(或声透射，insonification)。平面波可具有不同相位，即不同角度。更具体地说，在发射操作期间，可将多个超声波发射到空间区域40。例如，可调节(每个相应换能器元件的)每个发射脉冲的相位(即延迟)，以成形发射波前。为了获得不同角度，发射延迟规则(由此，相位偏移)可以与发射角度的正弦成比例。
在本公开中，脉冲一般可对应于换能器元件发射的声和/或电信号。脉冲可例如由以下中的至少一项限定：脉冲时长、所得波的频率、给定频率下的周期数、脉冲极性等。波可对应于由一个或多个换能器元件(即相应发射的脉冲)生成的波前。可通过所用的各个换能器元件之间的发射延迟控制波。示例包括平面波、聚焦波，和扩散波。波束可对应于被波声穿透的物理区域(例如在介质中的)。由此，波束(beam)可涉及波(wave)，但具有较少的时间概念或不具有时间概念。例如，当关注聚焦波束的景深(the depth of field)时，可称之为波束。
在可选的操作(a2)中，可通过多个20换能器元件21，从介质接收多个信号，可选地作为响应。多个信号可包括发射操作(a1)的反向散射回波。也可将响应序列称为空间-时间数据和/或信号数据，尤其是超声信号数据和/或RF数据和/或IQ信号数据(即该数据可对应于操作(a)的空间-时间信号数据)。信号数据可以是在时间域中的，更具体地说在空间-时间域中，例如在下文中更详细说明的。在一个示例中，可通过带通滤波处理响应序列，以仅保留一个或多个频率范围。
要指出的是，操作(a1)至(a2)是可选的，这是因为他们也可由任何其它系统和/或在其它时间实施。也可在操作(a)中由外部系统等提供数据。还可行的是，空间-时间信号数据是预先存储的，并例如由数据存储、通信接口等来提供/在其上读取。
在可选的操作(b)中，介质的超声信号数据用于构建图像数据的过程。相应地，可行的是，将与在操作(a)中提供的用于确定镜面反射特性的那些数据不同的超声信号数据用于构建图像(参见操作(c))。然而，还可行的是，将相同的超声信号数据用于两个目的，尤其是在图像构建过程包括综合B模式成像过程的情况下。
可选的操作(b)可尤其包括可选的将脉冲发射(b1)到介质中的操作。例如，发射操作可包括用一道或多道聚焦波声穿透介质。波可聚焦在包括空间区域40的介质中的不同区域。在常规B模式图像构建过程的情况下，使用聚焦波可例如是有利的。
在可选的操作(b2)中，可由多个20换能器元件21，从介质接收多个信号，可选地作为响应。多个信号可包括发射操作(b1)的反向散射回波。也可将响应序列称为空间-时间数据和/或信号数据，尤其是超声信号数据和/或RF和/或IQ信号数据。信号数据可以是在时间域中的，更具体地说在空间-时间域中的，如例如在下文中更详细地说明的。在一个示例中，可通过带通滤波处理响应序列，以仅保留一个或多个频率范围。
要指出的是，操作(b1)至(b2)是可选的，这是因为他们也可由任何其它系统和/或在其它时间实施。也可在操作(b)中由外部系统等提供数据。还可行的是，信号数据是预先存储的，并例如由数据存储、通信接口等提供/在其上读取。
在操作(c)中，根据在操作(a)中提供的信号数据，优化介质的镜面反射特性。
操作(c)可包括可选的操作(c1)，在该操作中，对于介质中的多个空间区域中的每个(或至少对于该一个空间区域40)，确定存在镜面反射体的概率和/或镜面反射体的镜面反射体角度。可在确定存在相应镜面反射体的概率超过预定最小阈值的情况下，才确定镜面反射体角度。
操作(c)可包括另外的可选的操作(c2)，在该操作中，基于所确定的多个区域的概率和/或镜面反射体角度，构建镜面反射特性地图。换句话说，镜面反射特性地图可指示，对于每个区域的相应镜面反射体和/或镜面反射体角度。
操作(d)可包括可选的操作(d1)，在该操作中，调节(即改变)在所述过程中使用的(预定)接收角度。相应地，换能器阵列上的接收孔径的相对位置可能偏移。而且，在另外的可选的操作(d2)中，调节、尤其是减小接收孔径。
在可选的操作(e)中，基于所确定的镜面反射特性或可选地基于镜面反射特性地图，优化用于构建超声图像数据的过程。所述过程可大致是预定的，但能够是通过操作(d)来调节的(即适应性的)。
例如，所述过程可包括波束成形过程。例如，该过程可配置为波束成形在操作(a)和/或操作(b)中获得的介质的超声信号数据，以获得介质的图像数据。更具体地，所述过程可以是B模式成像过程或综合B模式成像过程。
波束成形过程和由此的构建过程一般可包括：根据介质中的预定空间区域，确定信号数据的至少一个子集，和基于该子集，确定空间区域的图像数据。可例如通过延迟求和(Delay and Sum DAS)波束成形方法确定子集。空间区域的图像数据可例如是像素(pixel)或立体像素(voxel)。
由子集代表的空间区域可对应于由镜面反射特性地图指示的空间区域。然而，它们也可彼此不同，例如具有更高或更低的分辨率。在该情况下，期望的是提供该至少两种类型的空间区域之间的映射。
子集可包括信号数据的空间和时间选集。换句话说，子集可根据所用DAS波束成形方法，选自RF信号数据。
根据另一方面，空间选集可限定(预定但可调的)接收孔径和/或用于形成子集的信道选集。例如，时间选集可基于预定延迟算法(例如由所用DAS波束成形方法限定的)。相应地，所选信道数据可根据所用DAS波束成形方法，具有各自专有的预定延迟。可以还根据估计(预定)的与从预定空间区域接收的响应信号关联的接收角度，确定空间和时间选集。
可通过根据在空间区域识别的镜面反射体的所确定的镜面反射体角度改变接收角度，调节空间和时间选集。
相应地，操作(d)可包括可选的操作(d1)，在该操作中，调节(即改变)在所述过程中使用的(预定的)接收角度。
因此，在常规(DAS)波束成形方法中，可将发射波束的角度估计为等于接收角度(例如0°，即垂直于所用换能器元件的换能器阵列)，而在本公开的方法中，估计的接收角度可不同于发射角度。
可以还根据由用于从预定空间区域接收响应信号的信道选集选定的接收孔径，确定空间和时间选集。
孔径可由所用信道数量限定。信道可对应于换能器设备的一个换能器元件，换能器设备包括换能器元件的阵列。常规地，用于接收响应信号的信道数量可以是预定的。可根据要收集图像数据的空间区域确定它们相对于换能器阵列的相对位置。具体地说，常规地将相对位置选择为使得所选信道直接位于空间区域前方(即接收角度为0°，即没有倾斜)。
然而，根据本公开，可根据所确定的镜面反射特性，调节(即改变)该相对位置，以及可选地所选信道数量，尤其是在已经在所述区域检测到镜面反射体的情况下。
而且，根据本公开，可通过分别改变和/或减小孔径，改变和/或限制空间选集，即空间和时间选集的空间分量。特别地，可将空间选集减小到代表从镜面反射体接收的回波的那部分(即那些信道)。可丢弃其它信道数据(即来自其它信道的)。原因在于来自其它信道的信号可能不包含对于重构镜面反射体有用的信息。
相应地，操作(d)可以还包括可选的操作(d2)，在该操作中，调节(即限制)接收孔径。
相应地，可在操作(d)中，对于整幅图像(即所扫描的所有区域)，优化所述过程。然而，还可行的是，仅对于与存在镜面反射体的概率高于预定阈值的空间区域关联的那些子集，优化所述过程。换句话说，可以仅优化已经检测到镜面反射体的那些所扫描的区域。
如上所述，在可选的操作(e)中，可使用经优化的过程，构建介质的超声图像数据。然而，还可行的是，省掉操作(e)。例如，还可行的是，仅由所述方法优化所述过程。可存储经优化的过程(或关于经优化的过程的信息)和/或将其提供给外部系统。所述外部系统则可使用经优化的过程来构建介质的图像数据。
在下文中，通过参照图3至图9中的一些示例，更详细地解释根据本公开的方法的基本原理。
延迟求和(DAS)波束成形基于这样的主要假设：体内的每个反射体的维度比波长小。由此假设它们是瑞利散射体。然而，当散射体的维度相对于lambda增大时，散射压变得越来越取决于角度，并由于衍射效应，出现优先方向。由此，非常不良地重构该类型的镜面反射体，例如骨骼、针、纤维、组织界面，这是因为它们不遵循延迟求和波束成形的传统瑞利散射体假设。
可类比于镜面地，这样的镜面反射体遵循斯涅尔反射定律。所反射的平面波的角度取决于反射体的角度和所发射的平面波的角度：
β＝α-2γ(方程式1)
其中，β是从介质接收的平面波的角度；
α是发射到介质中的倾斜的平面波的角度；以及
γ是介质中的镜面反射体的角度。
图3示出介质中的镜面反射体对平面波的示例性反射。与图1类似地，x轴对应于超声换能器阵列的延伸方向，z轴在介质的深度方向上。在该示例中，被α＝20°的平面波声透射的具有角度γ＝5°的镜面反射体会发回β＝10°的倾斜的平面波。相应地，对于(处于镜面反射体P的位置代替它的)常规散射体，接收波束会在发射点(即在大约X＝-4)被接收到，而镜面反射体导致接收波束在完全不同的位置R处(即在大约X＝+6)被接收到。
因此，如在图3的示例中，综合B模式中的图像质量可能会由于存在镜面反射体而受影响，这是因为综合B模式使用平面波来声透射介质。
然而，由于遇到镜面反射体的平面波作为平面波被发回探头，对于重构反射体，平面波是优化的。因此，根据本公开，提出使用镜面反射体的物理特性来构建镜面反射波束成形器，即经优化的考虑到镜面反射体并相应地调节的用于构建超声图像数据的过程，而不是尝试最小化镜面反射。该方法允许获取关于所探查的介质的新知识。
在下文说明镜面反射波束成形的示例性方面。对于每个发射角度，如果倾斜的镜面反射体处于位置P(x,z)，将具有角度的平面波发回探头。参见方程式2，发射到点P(x,z)的去程延迟(去程延迟指例如波前到达所考虑的P像素所花飞的时间)对应于单个平面波的经典延迟定律：
其中，c0是声速；
α是发射到介质中的倾斜的平面波的角度；
z是镜面反射体在介质的深度方向(即为深度维度的Z方向)上与换能器设备的距离；以及
x是镜面反射体在X方向(即为侧向维度或方位角的X方向)上与换能器设备的距离。
参见方程式3和4，在满足下式的返程时间treceive之后，由探头在位置R(xR,zR＝0)处检测到反向散射的平面波：
其中，β是从介质接收到的平面波的角度；
xR是所接收模式的考虑的换能器元件的横坐标。这就是为什么zR＝0处于探头处。
对于每个像素P(x,z)，探查一组镜面角度γ。探查镜面反射角度γ是指接收平面波具有由β＝α-2γ限定的角度。对于角度为α的每道发射平面波实施该步骤。
而且，可构建像素P的镜面反射变换。平面波成像的每个信道信号s(α,t,xpiezo)可具有三个维度：发射角度、样本或快速时间t，和对应于x坐标的接收压电元件的位置。对于处于位置P的γ0倾斜的镜面反射体，并对于每道发射的平面波，如上文所限定的，在时间ttr＝ttransmit+treceive之后接收同相波前的压电元件处于位置R(xR,zR＝0)。参见方程式5，来自位于位置P的镜面反射体的信号则是：
其中，xR是相应压电元件在X方向上的位置。
可在(α,γ)空间中构建该信号。参见方程式6，对于每个发射角度，可通过使用R(xR,0)与β之间和tR与P(x,z)之间的关系，来表达镜面反射信号：
其中，P是所关注的点(或像素)，即想要评估具有镜面反射体的概率及其角度的点；以及
γ是镜面反射角度。
可将在空间(α,γ)中显示的该信号s(α,P,α-2γ)称为斯涅尔矩阵(参见图5中的示例左侧)。对于每个α，来自假设的γ0＝0°镜面反射角度的延迟的回波是同相的，处于相同波前上。对于γ＝γ0，矩阵内的信号是最大化的。否则，如果P仅包含散斑，在斯涅尔矩阵中没有相干信号。
具体地说，参见方程式7，可将斯涅尔矩阵的相干和称作镜面反射变换：
图4示出对于斯涅尔变换的示例性超声波前的IQ插值。类似于图1和图3地，x轴对应于超声换能器阵列的延伸方向，z轴在介质的深度方向上。与图1相比，图3倾斜90°。图3中的竖直轴是Z轴(深度/轴向)，水平轴是X轴(侧向)。由此，图1与之相反。
可将镜面反射变换应用于超声空间-时间信号数据。具体地说，空间-时间信号数据(即换能器设备的输出数据)可以是解调IQ。空间-时间信号数据可以是例如解调IQ或RF信号。两者都可是每信道数据，但在使用解调IQ的情况下，如下文所解释的，在插值步骤期间需要考虑到载波相位。插值部分需要特别注意，以便根据延迟信息，对插值IQ数据重新定相。在延迟ttr(或抽样单元中is)之后到达位置R(xR,0)的信号可插值在分别在延迟ttr-left和ttr-right之后到达最近的压电元件xleft和xright的信号之间，参见方程式8：
黑粗线wf对应于反射的平面波的波前。灰色虚线sd对应于每信道数据中所采样的数据。参数“isleft”可以是横坐标为xleft的换能器元件在每信道数据矩阵中样本的精确索引(即非整数)。参数“floor(isleft)”可以是isleft的整数部分。参数“isright”可以是横坐标为xright的换能器元件在每信道数据矩阵中样本的精确索引(即非整数)。参数“floor(xright)”可以是xright的整数部分。
对于每个信道，可有两个第一差值：
-对于信道xleft，在样本和/>上插值接收的信号
sleft。应考虑到载波造成的相位旋转。
-可实施相同的操作以得到信号sright。
然后，可通过最终插值sleft和sright，获得斯涅尔变换s(ttr)。
镜面反射波束成形可用于将先前构建的信号与匹配滤波器相关联，即由倾斜度为γ0的平面反射体反射的信号。可对于γ0＝0°得出理论模型f(P,γ)，并通过与δ(γ-γ0)进行卷积将其推广。例如，可由仿真系统的双向脉冲e2w(t)构建理论模型。目的在于找到时间延迟与镜面反射体特征之间的对应。
在知悉双向脉冲响应时，可由角度为γ0＝0°的镜面反射体，得出斯涅尔变换的表达式，参见方程式9：
图5示出示例性斯涅尔矩阵(左图)和对于γ0＝10°反射体的仿真和理论斯涅尔变换(右图)。具体地说，图5的右图示出对于示例性的γ0＝-10°倾斜的反射体的仿真和理论斯涅尔变换两者。斯涅尔矩阵实际上相对于γ＝γ0对称。理论信号与δ(γ-γ0)进行卷积，以获得对于γ0的任何数值的信号。
对于每个像素P，计算斯涅尔变换f(P,γ)与理论斯涅尔变换ftheo之间的归一化相关性r(P,γ)。参见方程式10，它提供在位置P处具有镜面反射体的概率及其角度：
例如，在图6的示例中，相关性r(P,γ)的最大值位于γ＝-10°。
可在最终图像的每个像素处应用上述操作，以具有关于整个介质的镜面反射信息。由于对每个像素进行所有检测步骤要求大量计算，可在例如GPU上实施算法以对其加速并以可接受的时间构建整幅图像。镜面反射波束成形可检测介质中的镜面反射体和它们的角度。它也可是一种以优化的方式构建B模式图像的方式。
镜面反射信息可对于综合和常规B模式两者，改善DAS波束成形。常规地，由于假设的瑞利散射体，可使用换能器设备的更大的接收孔径，以最大化来自反射体的信号，而且还捕获所有有用回波，这是因为没有关于介质的先见。常规波束成形过程非常不适用于镜面反射体，这是因为它们的回波具有遵循斯涅尔定律的优先方向。取决于它们的倾斜角度，平面反射体重构得不好，仅接收孔径的有限部分承载镜面反射信号。然而，借助于本公开的经改善的图像构建过程，能够知悉反射体是否是镜面反射的，以及它的角度。从而能够调节DAS重构。
图6至图9示出如何根据本公开优化图像构建过程(即波束成形过程)的示例。
图6示出瑞利散射体(左)的常规地重构的图像和相关联的空间-时间信号数据(右)的示例。
更详细地说，图6中的左图示出通过常规图像构建过程(例如根据B模式或综合B模式)构建的具有多个像素的图像数据。左图的水平轴对应于图1中的x轴，即沿着换能器阵列和/或沿着介质表面延伸的轴(换能器设备可布置在介质表面上)。竖直轴可指图1中的z轴，即介质的深度方向。在本示例中，如在重构的图像数据中可见，介质可包括瑞利散射体P1。
图6中的右图示出相关联的空间-时间信号数据。右图的水平轴也对应于图1中的x轴，即沿着换能器阵列和/或沿着介质表面延伸的轴(换能器设备可布置在介质表面上)。更具体地说，水平轴可指各个换能器元件的单个信道。竖直轴可指所收集的空间-时间信号数据的时间维度。
在本示例中，如在图6左侧的重构的图像数据中可见，介质可包括瑞利散射体P1。
相应地，空间-时间信号数据包括在一定时间期间，由多个换能器元件分别接收的多个信号。沿着线50示意性地示出空间-时间信号数据的具体子集S1。该子集可对应于为了重构一个像素(或多个像素)，通过常规DAS波束成形过程选择的信号数据，其代表图6的左图中的瑞利散射体P1。
相应地，虚线50可以是理论线和/或假想线。换句话说，信号被虚线覆盖的部分可以与空间区域关联。
可根据DAS波束成形过程预先计算虚线50。
如在图6的示例中所示，常规DAS波束成形过程可正确地重构典型尺寸<波长的散射体。因此，在左图中可合适地示出散射体P1。对于这样的瑞利散射体，接收角度即可视为等于所发射的超声波束的发射角度。
图7示出瑞利散射体和镜面反射体的常规地重构的图像(左)和相关联的空间-时间信号数据(右)的示例。
在该示例中，位置在左图中由白色虚线指示的镜面反射体SR可具有15°的相对于x轴的倾斜角度。所发射的超声波束(即对于综合B模式，平面波)的发射角度可以是0°。当镜面反射体被波声透射时，反向散射场具有与瑞利散射体(如例如散射体P2)的不同的表现。常规DAS波束成形过程的常规接收延迟规则不能够正确地重构这些反射体。处于镜面反射体SR上的示例性像素P3、P4和P5可在右图的空间-时间信号数据中，具有分别的子集S3、S4和S5。然而，由于镜面反射特性，子集没有正确地覆盖与镜面反射体SR的空间位置SR’实际相关的信号数据。因此，镜面反射体SR甚至在图像数据中不可见。
图8示出图7的示例，其中，根据镜面反射体的倾斜角度调节接收角度。如图8所示，可根据斯涅尔定律，调节接收角度。还可减小接收孔径尺寸。实施该优化操作给出左图的图像数据，在其中现在可见镜面反射体SR。
因此，在知悉镜面反射角度的情况下，接收延迟规则可相对于斯涅尔定律倾斜。由于延迟规则与回波对齐，仅抛物线的顶点才包含镜面反射信号，并可去除和/或忽略延迟规则的边缘。现在能够无信号损失地使用减小的孔径，该减小的孔径是增大的f#。这可提高对比度和SNR，这是因为仅对有用信号求和，并且由于减小的孔径，降低了计算复杂度。
然而，由于上述调节也应用于瑞利散射体的信号数据S2*，不再良好地重构该瑞利散射体。因此，可如图9所示，进一步改善该方法。
图9示出图7和图8的示例，其中，根据镜面反射体的倾斜角度，调节接收角度，但仅对于示出镜面反射体的像素。相应地，可对于任何像素，在知悉该像素是否是瑞利散射体或镜面反射体的一部分时，调节接收延迟规则和接收孔径。在瑞利散射体的情况下，无需优化。
如图6至图9的示例所示出的，根据本公开的方法可应用于综合B模式的DAS波束成形。在综合B模式(即使用平面发射波)中，可在图像数据中更好地重构介质的镜面反射体。例如，在不遵循斯涅尔定律时(即不应用本公开的方法时)，用窄的孔径，可能无法重构手肌腱，但当根据本公开的方法使得延迟规则与镜面反射一致时，手肌腱可清楚地显现。
根据本公开的方法也可应用于常规聚焦B模式(使用聚焦发射波)的DAS波束成形。如果具有镜面反射体的可能性高，可提供镜面反射角度地图，作为DAS波束成形的输入。波束成形则可根据本公开的方法，将遵循斯涅尔定律的经调节的接收角度用于每个像素。同样地，减小的孔径可对于镜面反射部分的DAS波束成形是足够的，这是因为延迟规则目前相对于回波是倾斜的。
如已经说明的，为了构建这样的图像，期望的是首先用平面波声透射介质，以计算镜面反射概率和角度地图，然后使用聚焦波束来构建常规B模式图像数据。改善这样的波束成形的效率的一种方式在于调节孔径的大小以适于处于每个像素处的反射体类型。如果根据概率地图，判定是镜面反射体(例如高于预定阈值的概率)，可使用减小的但相应地斯涅尔定律倾斜的孔径。相反地，可将大孔径用于其它像素(即具有相对低的和/或低于预定阈值的镜面反射概率的像素)，这是因为像素可能位于瑞利反射体上。
在整个本说明(包括权利要求)中，“包括”这个术语应理解为与“包括至少一个”同义，除非另有说明。而且，在本说明(包括权利要求)中提及的任何范围应理解为包括其一个或多个端值，除非另有说明。所述元素的具体数值应理解为处于本领域技术人员已知的接受的制造或工业容差内，并且对“大致”和/或“大约”和/或“一般”这些词的使用应理解为指落入这样的接受的容差内。
在整个本公开中，“记录”和“接收”这些术语可同义地使用，除非另有说明。
尽管在本文中参照具体示例说明了本公开，应理解这些示例仅对于本公开的原理和应用是示意性的。
本说明书和示例旨在视为仅是示例性的，本公开的真正范围由以下权利要求指示。
本文对专利文献或标明为现有技术的任何其它事项的引用不应被视为承认在所述权利要求中任一项的优先权日期，该文献后或其它事项是已知的，或其包含的信息是公知常识的一部分。

Claims (18)

1.一种用于构建介质的超声图像数据的过程的优化方法，该方法包括：
提供(a)所述介质的超声空间-时间信号数据；
根据所述信号数据，确定(c)所述介质的镜面反射特性；
基于所述镜面发射特性，优化(d)所述过程。
2.如权利要求1所述的方法，其中，
确定(c)所述镜面反射特性包括：
对于所述介质中的空间区域，确定存在镜面反射体的概率和/或所述镜面反射体的镜面反射体角度；或者
确定(c)所述镜面反射特性包括：
对于所述介质中的多个空间区域中的每个，确定(c1)存在镜面反射体的概率和/或所述镜面反射体的镜面反射体角度；以及
基于所确定的概率和/或镜面反射体角度，构建(c2)镜面反射特性地图。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，
所述空间-时间信号数据包括以下中的至少一项：
射频RF信号数据，
IQ解调数据(这在实践中被使用)，
预波束成形超声数据，
多信道信号数据，
由包括多个换能器元件的换能器设备获得的信号数据，其中，每个换能器元件的输出形成所述信号数据的一个信道。
4.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，
所述过程包括波束成形过程，其中，所述介质的超声信号数据被波束成形，以获得所述介质的图像数据。
5.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，
所述过程是B模式成像过程或综合B模式成像过程，和/或所述图像数据是B模式图像数据。
6.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，
在所述过程中使用的和/或用于波束成形的所述信号数据至少部分地对应于用于确定镜面反射特性的信号数据。
7.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，
所述过程和/或所述波束成形过程包括：
根据所述介质中的预定空间区域，确定信号数据的子集；和
基于所述子集，确定所述空间区域的图像数据。
8.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，
所述子集包括信号数据的空间和时间选集。
9.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，
所述空间选集限定接收孔径和/或用于形成所述子集的信道选集；和/或
所述时间选集基于预定的延迟算法。
10.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，
通过根据所述镜面反射特性调节(d1)信号数据的所述子集和/或所述空间和时间选集来优化所述过程。
11.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，
还根据与从所述预定空间区域接收的响应信号关联的估计的接收角度来确定所述空间和时间选集，其中，
通过根据所确定的在所述空间区域处识别的镜面反射体的镜面反射体角度改变接收角度，来调节(d1)所述空间和时间选集。
12.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，
通过根据所述镜面反射特性改变和/或限制所述空间选集，来调节(d1、d2)所述空间和时间选集。
13.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，
还根据由用于从所述预定空间区域接收响应信号的信道选集限定的接收孔径，来确定所述空间和时间选集，其中，
通过相应改变和/或减小所述孔径，改变和/或限制(d1、d2)所述空间选集。
14.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，
仅对于与存在镜面反射体的概率高于预定阈值的空间区域相关联的那些子集，优化所述过程。
15.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，
所述介质的超声信号数据与发射到所述介质中的多个超声波相关联，其中，
所发射的超声波包括具有不同发射角度的非聚焦波和/或平面波。
16.一种构建介质的超声图像数据的方法，该方法包括：
如上述权利要求中任一项所述的方法；和
使用经优化的所述过程，构建所述介质的超声图像数据。
17.一种计算机程序，该计算机程序包括计算机可读指令，所述计算机可读指令在被数据处理系统执行时，使得所述数据处理系统实施如上述权利要求中任一项所述的方法。
18.一种优化用于构建介质的超声图像数据的超声过程的系统，其中，
所述系统包括处理单元，该处理单元被配置为：
接收(a)所述介质的超声空间-时间信号数据；
根据所述信号数据确定(c)所述介质的镜面反射特性；
基于所述镜面反射特性优化(d)所述过程。
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