CN1207889A - 优化超声波流速彩色成像的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种在利用多普勒速度频移数据给运动着的流体或组织成像时减轻混叠的方法和设备。为了消除速度方式下轻度混叠的影响,采用对称(或无方向性的)速度/彩色映射,把具有同一幅值的正和负的速度数据映射到同一彩色和同一显示亮度上。若调整脉冲重复频率使得只有微小的混叠存在,则通过在帧平均之前或在其过程中去掉速度数据的符号就能实现数据的最优帧平均。

Description

优化超声波流速彩色成像的方法和设备

本发明一般地涉及用于医学诊断的人体解剖学的超声波成像。更具体地说，涉及一些通过检测从移动的体液或组织反射的超声波回波的多普勒频移来实现人体中移动的液体或组织的三维成像的方法和设备。

传统的超声波扫描器建立组织的二维B-方式图象，其象素亮度是以回波强度为依据确定的。在彩色流动成像中，可以使血液的流动或组织的运动成像。利用多普勒效应测量心脏和血管中的血流已广为人知。来自组织和血液的反向散射的超声波的频移可以用来测量反射体的速度。血流向着换能器流动时，反向散射频率的变化或漂移增大，而血流朝离开换能器的方向流动时，反向散射频率的变化或漂移减小。可以利用不同的颜色表示速度和方向来显示多普勒频移。彩色流速方式同时显示数百个相邻的采样体积，对所有采样体积进行颜色编码以便描述每一个采样体积的速度。彩色流速图象可以叠加在B方式图象上。

本发明被结合到一种超声波成像系统中，该系统包括四个主要的子系统：波束形成器2(见图1)、处理器子系统4、扫描转换器/显示控制器6和主控制器8。系统控制集中在主控制器8上，它通过操作者接口(未示出)接收操作者的输入，而它本身控制各个子系统。主控制器还产生系统定时和控制信号，通过系统控制总线10和扫描控制总线(未示出)分配这些信号。

主数据通道开始于从换能器到波束形成器的数字化射频输入。波束形成器输出两个求和的数字基带接收束。基带数据输入到B方式处理器4A和彩色流速处理器4B，其中按照采集的方式进行处理，并作为处理后的声矢量(波束)数据输出给扫描转换器/显示器控制器6。扫描转换器/显示器控制器6接收处理后的声数据并以光栅扫描格式把所述图象的视频图象信号输出给彩色监视器12。扫描转换器/显示器控制器6与主控制器8合作，还将显示用的多个图象、显示注释、图形复盖和电影循环的重播以及记录的时间线数据格式化。

B方式处理器4A把来自波束形成器的基带数据转变成信号包络线的对数压缩样式。B函数把随时间变化的信号包络线振幅成像为每一个象素8位输出的灰度。基带信号的包络线是基带数据表示的矢量的振幅。

从血管、心腔等内部反射的声波频率发生与血液细胞的速度成正比的漂移：向换能器运动的发生正的频移，而离开换能器而运动的发生负的频移。彩色流速(CF)处理器4B用来提供成像平面上的血液运动的实时二维图象。血液速度是通过测量在特定距离门从一次发射到另一次发射的相移来计算的。不是测量图象中一个距离门的多普勒频谱，而从多个矢量位置和沿着每一个矢量的多个距离门计算平均血流速度，并由此信息形成二维图象。彩色流速处理器的结构和操作在美国专利No.5,524,629上已作公开，其内容附此作参考。

彩色流速处理器产生速度(8位)、离散(紊流度)(4位)和功率(8位)信号。操作者选择是速度和离散还是功率作为向扫描转换器的输出。输出信号输入到色度控制查询表，后者驻留在视频处理器22中。该查询表的每一个地址都储存24位。对于准备产生的图象中的每一个象素，8位控制红的亮度、8位控制绿的亮度和8位控制蓝的亮度。这些位组合预先选择得当流速在方向和大小发生变化时，每一个位置上的象素的颜色变化。例如，流向换能器的流速用红指示，而离开换能器的流速用蓝指示。流速越快，颜色越明亮。

扫描转换器/显示器控制器6的声线存储器14A和14B分别接收来自处理器4A和4B的经过处理的数字数据，并完成彩色流速和B方式数据从极坐标(R-θ)扇形格式或笛卡儿坐标线性阵列到储存在X-Y显示存储器18中的适当标度的笛卡儿坐标显示象素数据的坐标变换。在B方式下，亮度数据储存在X-Y显示存储器18中，每一个地址储存3个8-位象素。作为另一方案，在彩色流速方式下，数据用以下方法储存：亮度数据(8位)、速度或功率数据(8位)和离散(紊流)数据(4位)。

依次出现的彩色流或B方式数据的多个帧以先进先出的方式储存在电影存储器24中。电影存储器像一个在背景中运行的环形图象缓冲区，连续捕获的图象数据实时地显示给用户。当用户冻结系统时，用户便具有观看电影存储器中以前捕获的图象数据的能力。在已显示图象上产生的图形重叠用的图形数据是在时间线/图形处理器和显示存储器20中产生和存储的。视频处理器22在图形数据、图象数据和时间线数据之间切换，以便在视频监视器12上以光栅扫描格式产生最后的视频输出。另外，它提供各种灰度及彩色映射以及灰度和彩色图象的结合。

传统超声波成像系统连续地在电影存储器24中收集B方式或彩色流速方式图象。电影存储器24为单个图象观看或多个图象循环观看和各种控制功能提供驻留的数字图象储存。单个图象电影重放期间显示的感兴趣的区域就是图象采集期间中所用的区域。电影存储器还在图象通过主控制器8传输到数字文档装置时起缓中区的作用。

在传统的诊断超声波成像系统中，速度彩色流方式由于所采样的数据系统和速度估计器的性质而受到固有的限制。具体地说，速度方式有混叠问题，其中超过PRF/2的流速隐蔽在其他速度中，并与它们无法区分。另外，在人体中需要同时成像的流动状态差别很大，诸如肾脏缓慢流动的弱流动和心脏的高速强流动，使得系统设计者无法预先使系统最优化，而需要开发用户优化和/或自适应优化工具。

二维超声波图象由于观察者无法使被扫描的组织的二维图象变得可见而往往难以解释。但若超声波探头扫过一个感兴趣的区域，累积多个二维图象以形成三维体积，所述组织不论对受过训练还是未受过训练的人都变得容易观察得多。具体地说，有助于移动流体或组织的三维超声波成像。

但是，在速度数据的三维透视图中投影算法对二维帧之间的混叠极其敏感。采用最大象素投影算法时尤为如此，因为一个帧中混叠的数据，其绝对速度往往比没有混叠的相邻帧中的数据高。三维透视图加强了混叠的影响。另外，心脏周期造成的血管中的脉动会建立多重图象，或大血管的意外丢失，后者往往提供不准确的三维透视图。

在传统的超声波成像系统中，把壁滤波器和压缩曲线应用于波束形成的彩色流速数据，估计正的和负的速度，采用诸如帧平均和求阈值等后处理，然后利用非对称彩色映射来显示数据、从而通过不同的颜色和/或亮度来表示正、负流动状态。速度数据的混叠表现为跨越混叠边界颜色的急剧转变，它不表示真实的流动状态，而且可能具有外来的信息而使用户分心。

另外，在传统的超声波成像系统中，速度数据的帧平均必须考虑数据的符号和幅值以确定流速是否混叠，然后在算法中针对混叠进行调整。跨越混叠边界的帧平均是困难的，而必须处理混叠的算法对非混叠数据具有次最优的性能。

本发明是一种在利用多普勒速度频移数据给运动的流体或组织成像时减轻混叠的方法和设备。本发明在人体血流成像中特别有效。

为了消除速度方式中轻度混叠的影响，本发明使用带符号的数据，后者带有对称(或非定向的)速度/彩色映射，从而同一幅度的正和负的流动状态映射到同一彩色和同一显示亮度上。这些映射允许通过映射中彩色的突变来检测严重的混叠，使得用户可以调整系统脉冲重复频率(PRF)以便取得最优成像，而同时提供强壮的速度图象。

按照本发明的另一方面，若这样调整PRF使得只有微小的混叠存在，则通过在帧平均之前或在其过程中去掉速度数据的符号就能实现数据的最优帧平均。对于长余辉帧平均算法尤为如此。在与对称速度/彩色映射配合使用时，这样的帧平均实现最优。

应用对称速度/彩色映射和最优化的无符号的(速度捕获)帧平均的概念可以从二维成像扩展到三维成像，以产生对混叠和血管脉动比较强壮的增强的三维图象。

为了按照本发明给运动的流体或组织三维成像，速度数据要在数据存入电影存储器之前利用无符号的帧平均算法进行滤波。主控制器从电影存储器取出选定的经过帧平均的对应于感兴趣的体积的速度数据，并利用光线投射技术完成象素速度数据在多个旋转的图象平面上的投影。然后将从每一个投影得出的投影后的速度数据存回电影存储器。之后，利用一种或多种彩色显示投影后的速度数据，利用相应的对称速度/彩色映射方法针对每一种彩色而确定对应于每一个速度幅值的显示亮度。

图1是一个方框图，表示实时超声波成像系统中各主要功能子系统。

图2是一个方框图，表示用于按照本发明重构包括依次出现的象素亮度数据立体投影的帧的装置。

图3是一个流程图，表示用于按照本发明重构包括依次出现的象素亮度数据立体投影的帧的算法步骤。

图4是一个示意图，表示包含在根据先有技术的反向光线投射投影的立体演示中的感兴趣的采样的对象体积、相关数据体积和图象投影平面。

图5是一个示意图，表示一对与类似的对象和数据体积的视图对应的、并且在三维超声波成像中在定义必要的比例常数时有用的几何二维配置。

图6是一个示意方框图，表示用于在三维超声波成像中提供最大亮度投影的装置。

图7是一个示意方框图，表示按照本发明编程的一种类型的帧平均滤波器。

图8是一个曲线图，描述按照本发明的对称流速/彩色显示亮度映射。

参照图2，主控制器8包括中央处理单元(CPU)42和随机存取存储器44。CPU 42具有内装只读存储器，用来储存用于把所采集的速度和紊流数据转换成以不同角度观察的多个三维投影图象用的例程。CPU 42通过系统控制总线10控制X-Y存储器18和电影存储器24。具体地说，CPU 42控制从X-Y存储器18到视频处理器22和到电影存储器24，以及从电影存储器到视频处理器22和到CPU 42本身的数据流。当超声波成像系统在彩色流速方式下操作时，代表通过待检验的对象的许多次扫描或许多片之一的彩色流速数据的每一帧都存入X-Y存储器18，并在下一周期发送到视频处理器22和电影存储器24。

X-Y显示存储器18具有以单分支IIR(无限脉冲响应)滤波器的形式实现的帧平均滤波器。帧平均滤波的功能是把来自一个或多个帧的数据取出，在时间域上求平均。帧平均的结果是速度图象中的彩色突变减少了。

按照本发明一个最佳实施例，帧平均滤波器包括代表帧平均后的数据的输出值的查询表。这些帧平均后的数据是用图7所示的算法离线产生的。按照该算法算出的Y_n是作为查询表的一部分而存储的。

本发明的帧平均电路包括位于X-Y显示存储器板上的随机读写存储器(RAM)。该RAM有两个输入端和一个输出端。查询表储存在RAM中。一个输入端接收未作帧平均的象素数据的当前帧。另一个输入端通过用于把前一帧延迟等于帧速率倒数的时间的时间延迟装置接收前一帧帧平均象素数据。

帧平均滤波功能是用图7所示的算法离线实现的。滤波器输出是在线地以查询表的形式储存的。该算法包括一个在其中计算和选择余辉(persistence)系数的系数选择步骤26。系数选择是声学帧速率、焦点区个数和要求的余辉水平的函数。这些因数组合在一起，并在图6中表示为”LUT(查询表)选择”输入。

在本算法中，选定的余辉系数p输出到第一乘法器28的一个输入端。乘法器28的另一个输入代表未经滤波的当前帧输入X_n。这样，乘法器28的输出便是乘积pX_n。作为系数选择步骤26的输出，值(1-p)输出给第二乘法器30的一个输入端。乘法器30的另一个输入代表来自延时装置34的前一帧的经过帧平均的输出Y_n，延时装置34提供的延时等于帧速率的倒数。这样，乘法器30的输出便是乘积(1-p)Y_n-1。两个乘法器的输出是求和器32的输入，后者本身又产生帧平均当前帧的输出：

Y_n=pX_n+(1-p)Y_n-1    (1)

按照本发明一个最佳实施例，RAM芯片装入多个离线产生的并含有输出值Y_n的查询表子集。查询表是为特定的操作参数而设计的，并如前所述，是声学帧速率、焦点区个数和要求余辉值的函数。

每一个查询表都包括用本发明的帧平均算法离线产生的多个输出值Y_n。响应系统操作者所作的各种操作参数的选择，把相应的查询表下载入RAM芯片。然后，由未经滤波的当前帧输入X_n和经过帧平均的前一帧的输出Y_n-1两输入相结合对该查询表进行寻址，以选择作为离线帧平均滤波函数的结果的输出Y_n。该查询表预定不论输入X_n或Y_n-1的符号为何都产生相同的输出。

按照本发明的帧平均法，输出值Y_n是利用作为前一帧和当前帧信号电平之间的归一化差值Δ_norm的函数的余辉系数预先计算出来的。其实现方法是把当前帧和前一帧信号电平之差的绝对值除以该两数据的算术(或几何)平均值：

Δ_norm=｜X_n-Y_n-1｜/(｜X_n+Y_n-1｜/2)    (2)

方程式(2)的结果用来确定图象中余辉的量。余辉的定义是在前一帧和当前帧中用多少数据来确定输出信号Y_n(见方程式(1))，其中余辉系数p或者是

p=1-f(-((Δ_norm-k₁)k₂)+k₄)^k3          (3)

或者是

p=k+f(((Δ_norm-k₁)k₂)+k₄)^k3           (4)

式中f是一个非线性函数，而k,k₁,k₂,k₃和k₄均为常数，其值取决于有效发射聚焦区的数目、声学帧速率和系统用户所选择的余辉水平。最佳的f函数对方程式(3)而言是指数(exp)函数，而对方程式(4)而言是双曲正切(tanh)函数。推荐的预先计算帧平均输出值的方法利用用tanh函数按照方程式(4)产生的余辉系数。

输出值Y_n是针对许多组操作条件中的每一组的每一对可能的X_n和Y_n-1值计算出来的。输出值Y_n作为单独的查询表储存在系统存储器中，每一组操作条件一个独特的查询表。响应用户选择的要求操作条件，例如声学帧速率、聚焦区的个数和余辉水平，通过系统操作器把适当的查询表存入RAM芯片中。然后，只要所选择的操作条件仍旧有效，就按照从查询表读出的滤波器输出值对象素数据进行帧平均。输入数据可以是已扫描转换的帧数据或声学线数据(未经扫描转换的)。

在二维图象的情况下，经帧平均的速度数据输出到视频处理器22。视频处理器包括图8所示类型的对称速度/彩色映射。对每一种用于显示速度图象的彩色，都把单独的对称速度/彩色映射储存在视频处理器中。每一个速度/彩色映射都以查询表的形式储存，后者具有由速度数据输入到该表的寻址的显示亮度值。幅值相同的正的和负的Y_n值映射到相同的颜色和相同的显示亮度，在这个意义上速度/彩色映射是对称的。

本发明的上述最佳实施例，在减轻三维速度投影成像中混叠的有害影响方面特别有利。完成这样的投影成像的方法示意地描述于图3。

在重构流速投影图象的情况下，代表被扫描的对象体积的象素数据帧堆栈，储存在电影存储器24(见图2)的24A部分。在初始化过程(见图3步骤26)中，CPU 42从电影存储器部分24A只取出与感兴趣的对象体积对应的彩色流速数据。这是通过在每一个所选择的帧中只取出感兴趣的区域中的彩色流速数据而实现的。与所选择的多个帧中每一个的感兴趣的区域对应的彩色流速数据构成了感兴趣的源数据体积。

感兴趣的源数据体积最好包括具有在预定范围内的速度分量的那些象素，例如具有非零速度值的那些象素。然后用该源数据体积中的速度数据来重构不同视角的投影图象。

速度投影是在CPU 42内重构的，后者完成一系列美国专利No.5,226,113公开的光线投射算法的转换。这一系列顺序发生的转换代表在角度范围例如+90°到-90°内以角增量，例如，10°的间隔进行的最大、最小和平均速度投影。但是，角增量不必为10°；本发明亦不限于任何特定的角度范围。

按照本发明中所用的光线投射技术，通过用超声波换能器扫描一个对象体积52，从任意视角，例如，表示为角度参数的球体投影角度(θ,φ)的角度显示样品50(见图4)的立体再生的投影图象，其中θ是视线58的延伸线58’与X-Y平面的夹角，而φ是光线58对于延线58’的角度。以这样的方式对采样体积52进行扫描，以建立一系列入栈的连续的薄片或小片OS₁,OS₂,…,OS_k，其中的每一个都含有同样数目的对象体积元素(三维象素)OV。每一个三维象素在薄片平面(例如，在X-Y平面)内都具有矩形的形状；而同时互补侧可以具有相等的长度S，使得这个形状可以是矩形，薄片的厚度T一般不等于任何一边的长度。这样，第一个对象薄片OS₁含有第一组多个对象三维象素OV_ij,1，其中i和j分别为该三维象素的X轴和Y轴位置。类似地，第二对象薄片OS₂含有对象三维象素OV_ij,2，任意一个对象薄片OS_k含有对象三维象素OV_ij,k，其中k是三维象素在Z轴上的位置。

对每一个三维象素OV_ij,k进行分析，将其数据值(亮度、速度或功率)放在数据体积54对应的数据三维象素OV_ij,k中。数据体积54是一个简单的立方体i,j,k网格，尽管每一个对象薄片Os_k的厚度和每一个对象三维象素面的尺寸(该三维象素在X-Y平面上的尺寸)一般都是相等的。也就是说，对象体积的每一个三维象素不仅可以具有不同的X，Y和Z尺寸，而且在任何一个量度上三维象素的总数也不必相等。例如，典型的超声波三维扫描可以提供每一个薄片256×256个三维象素的矩阵，并可以涉及128个薄片。

按照CPU42所使用的已知技术，对象50的图象可以通过从数据三维象素DV_ij,k的网格点把光线投射到图象平面56上而进行投影(图3步骤34)。为了方便起见，该网格点可以是，例如，最靠近数据体积原点的数据三维象素顶点。投射的光线62以一个带有球面角参数(α,β)的投影角离开数据体积54，该球面角参数(α,β)是从观察对象体积52的球面角参数(θ,φ)转换来的。由于立方体数据体积54与非立方体对象体积52一起使用而引起的几何畸变，这两对角度是不相等的。但是，投影光线62具有x-y平面延伸面62’，它与数据体积的x轴形成角度α，而光线62与Z轴成角度β。这样，角度α,β是通过旋转过程(下面将要讨论)决定的，以便相当于在要求的视角(θ,φ)(假定在球坐标中操作)下观察对象体积52。每一条光线62都是从数据体积网格点向图象平面投射的。

尽管所有的光线62都投射在图象平面的某一部分，但是只有落在所考虑的图象平面象素60a的那些光线才被允许对该图象平面象素的数据作贡献。这样，选择了要观察的对象体积一部分52和观察这个选定的对象体积的观察角度(θ,φ)，数据体积相应部分的每一个象素中的数据值便以某个角度(α,β)(相当于观察相对于该对象体积的该畸变后的数据体积)向图象平面56投射。于是，第一三维象素(比方说，三维象素DV_i1,k)中的数据值是按照所选择的θ和φ值沿着光线62a向后投射的。该光线62a在象素60a内位置64a投射在图象平面56上，而因为这是投射在这个象素上的第一条光线，入射数据的亮度、速度或功率都对要求的象素60a作贡献(储存于其中)。该数据体积中的下一个三维象素(比方说，三维象素DV_i2,k)具有与之相关的光线62b从该三维象素网格点以相同的角向配置(α,β)投射，并标出其在图象平面上的位置64b。假定投射位置64b是在要求的象素60a内，第二投影值(为了进行最大象素投影)与现在储存的第一数值比较，并将较大的数值放在象素60a的储存点。显然，为了进行平均值投影，当前投影数据三维象素的值加在已经为投射光线所投射的此图象面板象素而储存的总和上，最后将该总和除以该象素的这样投射的光线投射次数。因为顺序地进入选定的数据体积内的每一个三维象素，并向图象平面投影，所以数据体积的一个三维象素(比方说，三维象素DV_i3,k)最后沿着与之相关的光线62p投射，而不投射在要求的象素60a，使得它的数据值(例如，亮度)不与当前为象素60a储存的数据值相比。对于该特定的三维观察角(θ,φ)下该数据的投影，现已为象素60a建立了最大数据值。但是，事实上光线62p确实具有投射点64p，后者落在另一个图象平面象素(比方说，象素60b)内，并与其中存储的数据值比较，并在比较后将较大的数值送回该象素的存储点。当新的投影开始时，将所有的数据值复位到零。这样，当一个新的图象投影过程开始时，每一个图象平面象素都复位，而所有的数据体积三维象素(在选定部分的整个空间内，作为由选定的对象体积52部分设定的)都分别地和顺序地扫描。每一个数据三维象素DV中的数据值通过相关的光线62进行投影，以便投射在图象平面56上的一个象素60上，以每一个象素中的最大值与光线投射数据体积三维象素的目前值比较，以确定其中较大者，然后将较大值作为最大值图象的一部分储存起来。在实际上，对于最大值象素投影，所存储的最大值只有在新投射的数据三维象素值大于为该新投射的光线所投射的图象平面象素已经储存的数据值时才发生变化。

按照上述技术的另一方面，对数据投影进行比例缩放(图3步骤36)，反向投影完成后只通过一组计算就能消除对象体积和图象平面之间的各向异性。现参照图5，因为对象体积52是真实体积，而数据体积54则是一个抽象概念，所以必须确定在第一平面内在不同的角度γ下立方体数据体积网格54表达方式造成的数据投影畸变量，然后确定角度φ，在该角度下任意视角方向66相对于对象体积52和数据体积54进行定位。当有效仰角φ和γ改变时，每一个三维象素表观尺寸也要发生变化。高宽比A(定义为对象体积52中薄片实际厚度T与同一对象体积52中象素实际尺寸S的比率)不为1(亦即大于或小于1，因为对象三维象素并非立方体象素，正如在数据体积中所碰到的)，于是仰角φ和γ是不同的，数据体积中有效仰角φ将不同于对象体积中的实际仰角γ。按照对象仰角，数据的旋转由下式得： $\mathrm{\ψ}={\tan }^{-1}\left(\frac{1}{A}\tan \right[\mathrm{\γ}\left]\right)$

此后，投影后的数据可以按比例缩放，以便通过将所有投影数据高度乘以立面缩放因素使其在对象体积中具有正确的高度(若旋转是绕水平轴)。旧的投影图象高度H可以用有效缩放因数E_s来矫正，其中 $E_B=\sqrt{{\left(A\cos \mathrm{\γ}\right)}^2+{\sin }^2\mathrm{\γ}}$

而新的高度H’=H^*E_s。绕垂直轴旋转时宽度也是如此。

利用上述关系，数据体积角度(α,β)可以变成角度(θ,φ)，因为畸变只沿着一个轴线发生。使得角度θ等于角度α。3×3旋转矩阵[M]的元素可以确定，而给定的两个有关的旋转角度，这些关系用来确定数据体积到图象平面的转换：

X’=M₁X+M₂Y+M₃Z+XO    (7)

Y’=M₄X+M₅Y+M₆Z+YO    (8)

式中M₁至M₆是旋转矩阵的头两行(亦即，M₁=-sinθ,M₂=cosθsinφ,M₃=0,M₄=-cosθsinφ,M₅=-sinθsinφ,M₆=cosφ),X’和Y’是投影点在图象平面上的位置，而XO和YO是图象平面X和Y的偏移量(分别参考X和Y的最低值点)，在该偏移量下图象平面选定部分开始。数据投影在图象平面56之后，对图象进行比例缩放，以矫正各向异性对象三维象素的作用。将会看到，因数M₁至M₆是可以在投影开始时(给定θ,φ)预先计算(图3中的步骤32)，并用于所有旋转计算。

图6表示完成包括在主控制器8(或单独的专用处理器)中的上述光线投射技术的装置。这样的装置包括三维数据存储器装置70，用来储存在数据输入端70a接收的来自电影存储器24的薄片数据。响应在三维象素地址输入端70b接收的来自CPU 74的三维象素地址输入信息，把与每一个对象三维象素相关的数据储存在该三维象素的地址上。一旦填满了数据存储器装置(相当于把所有要求的数据从对象体积52传送到数据体积54)，就选择感兴趣的对象体积部分，并将建立它的起始角和X,Y和Z方向范围的数据从CPU 74送到地址发生器装置72的输入端72a。装置72在其地址输出端72b顺序地提供所选定的对象体积内每一个三维象素的X,Y和Z地址。输出端72b连接到数据存储器装置70的输出数据地址输入端70c，使当时被寻址的那一个三维象素的储存的亮度数据被从数据存储器装置输出端70c输出。三维象素X,Y和Z地址的序列还提供给旋转参数计算装置76的第一输入端76a，该输入端通过CPU 74接收角度(α,β)信息作为算出的矩阵元素M₁-M₆值，以便在输出端76c提供在选定的视角(θ,φ)下观察时与对象X,Y和Z象素对应的图象平面象素的地址X’,Y’。视角(θ,φ)信息被输入系统中，并由CPU 74处理。把结果输入到视角矩阵装置78的输入端78b和78c，以便在其输出端78a提供矩阵元素M₁-M₆，从那里提供给旋转参数计算装置76。图象平面象素地址X’和Y’出现在起图象平面存储器装置80作用的帧缓冲区的地址输入端80a。同时，从数据体积向投影平面投影的亮度数据，从三维数据存储器装置输出端70d，出现在图象平面存储器装置的新数据输入端80b。这个数据还出现在数据比较装置82的新数据输入端82a。以前储存在图象平面存储器装置80这个地址(在输入端80a)上的亮度数据，出现在旧数据输入端80c，因而出现在比较装置的旧数据输入端82b。分别出现在输入端82b/82a的旧的和新的数据在装置82中进行比较，而若输入端82a的新数据幅度大于输入端82b的旧数据，则其输出82c被启动至选定的逻辑状态(例如，逻辑高电平)。输出端82c连接到图象平面存储器装置的替代控制数据输入端80d，若替换数据控制输入端80d处于选定的逻辑电平，则使储存在受输入端80a控制的地址上的数据发生变化，以接受输入端80b上的新数据。这样，所储存的数据初始时被复位，就象是被一个通过数据/控制端口80e(自CPU 74)的信号复位，而响应表示新数据超过以前储存的旧数据的值这一比较结果，为每一个图象平面象素位置X’和Y’储存数值最大的数据。所有被选择的地址被地址发生器72顺序地扫描之后，储存在图象平面存储器装置80的数据在CPU 74中按比例缩放，而按比例缩放后的图象平面数据可以从存储器装置80取出来显示、永久储存或类似目的。

按照本发明，图3所示的方法应用在从电影存储器取出的感兴趣的数据体积的彩色流速数据。在投影图象中的每一个象素都包括由向给定的图象平面上的投影形成的各自经过转换的速度数据。另外，当电影存储器被操作者冻结之时，CPU 42在电影存储器24的部分24B的多个顺序地址上存储来自X-Y存储器18的最后一帧。第一投影视角用的这个投影的图象数据写入电影存储器部分24B的第一地址，使得感兴趣的区域中的投影图象数据重叠在背景帧上。对每一个角度增量重复这个过程，直至所有的投影图象都存储在电影存储器部分24B为止，每一个投影图象帧包括含有经过转换的数据的感兴趣的区域，并且，任选地，围绕包括未被感兴趣区域的经过转换的数据覆盖的背景帧数据的感兴趣的区域的背景周边。背景图象使得所观察的每一个显示的投影来自何处更加清楚。然后，操作者可以选择任何一个投影图象来显示。另外，投影图象的序列可以重新显示在显示监视器上，以描绘对象体积，就好象它在观察者面前旋转一样。

按照本发明一个最佳实施例，超声波成像系统具有多个不同的投影方式。例如，投影可以包括最大值和最小值象素。按照另一个方式，光线投射技术可以用来提供表面再现。

当形成速度源数据体积时，有两种门控方法可以用来识别将从其中取出速度数据的帧或扫描。若系统操作者对病人心脏循环中的某一点的血流感兴趣，则连接系统来接收来自与病人连接的心脏监视器的输出。每一个循环监视器响应心脏循环波形出现预定特性而输出一个信号。响应每一个来自监视器的输出，主控制器在电影存储器中存储当触发事件发生或触发事件过后经过预定时间间隔时出现在X-Y显示存储器上的帧。这样，每一循环一帧，存储在电影存储器中。作为另一方案，响应心脏循环波形中预定特性的出现，以声学帧速率把多个依次出现的帧存储在电影存储器中。

无论采用哪一种帧采集方式通过从电影存储器取出对应于每一帧感兴趣的区域的象素数据，然后处理该象素数据，以便只采集速度分量处于预定阈值范围内的，例如非零速度分量的象素数据，来形成源数据体积。然后将该速度信息投影在不同的成像平面上，以重构用于显示的投影速度图象。

以上最佳实施例是为举例说明的目的而公开的。超声波成像或计算机图形领域的技术人员都很容易看出，本发明的基本概念可以有很多变化和修改。所有这样的变化和修改都包括在后附的权利要求书中。

Claims (18)

1．一种用于对运动着的超声波散射体进行彩色流速成像的系统，其特征在于包括：

超声波换能器阵列，用来发射超声波束，并检测由所述超声波散射体所反射的超声波回波；

用来采集由所述被检测的超声波回波推算产生的速度数据的装置；

彩色映射装置，用来把所述速度数据中幅值相同的正值和负值映射到相同的彩色和相同的显示亮度上，以此形成彩色流速图象；以及

显示装置，用来显示所述彩色流速图象。

2．权利要求1所定义的系统，其特征在于：所述彩色映射装置包括储存在可寻址存储器中的彩色映射查询表，所述彩色映射查询表包括代表彩色显示亮度的数据。

3．权利要求1所定义的系统，其特征在于还包括：帧平均装置，用来对相继出现的速度数据帧进行帧平均，以产生帧平均速度数据；以及发送装置，用来把所述帧平均的速度数据发送到所述彩色映射装置上。

4．权利要求3所定义的系统，其特征在于：所述帧平均装置包括储存在可寻址存储器中的输出值查询表，所述可寻址存储器对所述速度数据中具有相同幅值的正值和负值输出相同的输出值。

5．一种用于对运动着的超声波散射体进行彩色流速成像的方法，其特征在于包括下列步骤：

向所述超声波散射体发射超声波束；

检测所述超声波散射体反射的超声波回波；

采集从所述超声波回波推算产生的速度数据；

把速度数据中具有相同幅值的正值和负值都映射到相同的彩色和相同的显示亮度上，以此形成彩色流速图象；以及

显示所述彩色流速图象。

6．权利要求5所定义的方法，其特征在于还包括：对相继出现的帧进行帧平均以产生帧平均速度数据的步骤，所述帧平均步骤是在所述采集步骤之后和所述映射步骤之前完成的。

7．权利要求6所定义的方法，其特征在于：所述帧平均步骤还包括对所述速度数据中具有相同幅值的正值和负值输出相同输出值的步骤。

8．一种用于对运动着的超声波散射体进行彩色流速成像的系统，其特征在于包括：

超声波换能器阵列，用来发射超声波束，并检测由所述超声波散射体反射的超声波回波；

用来采集由所述被检测的超声波回波推算产生的速度数据的装置；

帧平均装置，用来对相继出现的速度数据帧进行帧平均以产生帧平均速度数据，所述帧平均装置包括储存在可寻址存储器中的输出值查询表，所述可寻址存储器对所述速度数据中幅值相同的正值和负值输出相同的输出值；

彩色映射装置，用来把所述帧平均速度数据映射到彩色显示亮度上，以此形成彩色流速图象；以及

显示装置，用来显示所述彩色流速图象。

9．权利要求8所定义的系统，其特征在于：所述彩色映射装置把所述帧平均速度数据中具有相同幅值的正值和负值都映射到相同的彩色和相同的显示亮度上。

10．权利要求9所定义的系统，其特征在于：所述彩色映射装置包括储存在可寻址存储器中的彩色映射查询表，所述彩色映射查询表包括代表一种彩色的显示亮度的数据。

11．一种用于对运动着的超声波散射体进行彩色流速成像的方法，其特征在于包括下列步骤：

向所述超声波散射体发射超声波束；

检测所述超声波散射体反射的超声波回波；

采集从所述被检测的超声波回波推算出来的速度数据；

对相继出现的速度数据帧进行帧平均，以产生帧平均速度数据，所述帧平均步骤包括对所述速度数据中具有相同幅值的正值和负值都输出相同输出值的步骤；

把所述帧平均速度数据映射到彩色显示亮度上，以此形成彩色流速图象；以及

显示所述彩色流速图象。

12．权利要求11所定义的方法，其特征在于：所述映射步骤包括把所述速度数据中具有相同幅值的正值和负值都映射到相同的彩色和相同的显示亮度上的步骤。

13．一种用于对含有运动着的超声波散射体的对象体积进行三维成像的系统，其特征在于包括：

超声波换能器阵列，用来发射超声波束，并检测由所述对象体积在多个采样体积上反射的超声波回波；

用来采集至少部分地由所述超声波散射体反射的超声波回波推算产生的速度数据的装置，每一个速度数据对应于所述多个采样体积中的相应的一个；

存储器装置，用来储存所述多个采样体积中的每一个的速度数据；

用来从储存在所述存储器装置内的速度数据取出源速度数据组的装置，所述源速度数据组只包括处于预定范围内的数据；

投影装置，用来把所述源速度数据组中的速度数据投影到第一图象平面上，以此形成第一投影速度数据组；

显示监视器；

彩色映射装置，用来把所述第一投影速度数据组中具有相同幅值的正值和负值都映射到相同的彩色和相同的显示亮度上，以此形成代表第一投影彩色流速图象的第一彩色投影速度数据组；以及

第一装置，用来在所述显示监视器上显示所述第一投影彩色流速图象。

14．权利要求13所定义的系统，其特征在于：所述彩色映射装置包括储存在可寻址存储器中的彩色映射查询表，所述彩色映射查询表包括代表彩色的显示亮度的数据。

15．权利要求13所定义的系统，其特征在于还包括：帧平均装置，用来对相继出现的速度数据帧进行帧平均，以产生帧平均速度数据；以及发送装置，用来把所述帧平均后的速度数据发送到所述彩色映射装置上。

16．权利要求15所定义的系统，其特征在于：所述帧平均装置包括储存在可寻址存储器中的输出值查询表，所述可寻址的存储器对所述速度数据中具有相同幅值的正值和负值输出相同的输出值。

17．权利要求13所定义的系统，其特征在于还包括：

投影装置，用来把所述源速度数据组中的速度数据投影到相对于第一图象平面旋转了的第二图象平面上，以此形成第二投影速度数据组；所述彩色映射装置把所述第二投影速度数据组中具有相同幅值的正值和负值都映射到相同的彩色和相同的显示亮度上，以此形成代表第二投影彩色流速图象的第二彩色投影速度数据组；以及

第二装置，用来在所述显示监视器上显示所述第二投影彩色流速图象。

18．一种用于对含有运动着的超声波散射体的对象体积进行三维成像的方法，其特征在于包括下列步骤：

把超声波束发射到所述对象体积内；

检测所述对象体积在多个采样体积上反射的超声波回波；

采集至少部分地由所述超声波散射体反射的超声波回波推算产生的速度数据，每一个速度数据对应于所述多个采样体积中的相应的一个；

把所述多个采样体积中的每一个的速度数据储存起来；

从储存在所述存储器装置内的速度数据取出源速度数据组，所述源速度数据组只包括处于预定范围内的数据；

把所述源速度数据组中的速度数据投影到第一图象平面上，以此形成第一投影速度数据组；

把所述第一投影速度数据组中具有相同幅值的正值和负值都映射到相同的彩色和相同的显示亮度上，以此形成代表第一投影彩色流速图象的第一彩色投影速度数据组；以及

显示所述第一投影彩色流速图象。

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