CN1214901A - 超声图象的相干滤波的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于改进医学超声图象的方法和装置,它采用了数据相关滤波。为图象中的每个象素计算称为相干因子的量。相干因子被定义为两个量的比值;接收信号相干求和后的幅度与接收信号非相干求和后的幅度。相干数据被存储在缓冲存储器,并可供选择地进行空间滤波和变换。获得幅度数据,并同时把它存储在缓冲存储器中。系统可以有选择地工作,以便只显示相干信息、只显示幅度信息或者显示相干的和幅度的信息的组合。

Description

超声图象的相干滤波的方法和装置

总的说来，本发明涉及数字超声成象系统，具体地说，涉及用数据相关滤波的方法来改进医学超声图象。

传统的超声成象系统包括超声换能器元件阵列，用于发射超声波束，然后接收从研究对象来的反射束。这种扫描包括一系列的测量，在这过程中，发射受控超声波，系统在短的时间间隔后转换到接收方式，并且接收和存储被反射的超声波。通常，在每次测量期间，发射和接收都被控制在相同的方向，以便获得来自沿声束或扫描线的一连串点的数据。当接收反射的超声波时，接收器被动态地聚焦到沿着扫描线的一系列区域上。

用于超声成象的阵列通常有许多换能器元件，它们排列成一行或几行，并用分开的电压驱动。通过选择所加的电压的时延(或相位)和幅度，能够控制给定行的各个换能器元件以便产生这样的超声波：所有这些换能器元件产生的超声波联合起来形成沿着特定向量方向行进的、并被聚焦在沿束所选的点上的合成的超声波。可以用多次发射来获得代表相同解剖信息的数据。例如通过在每束的焦点相对于上一束的焦点移动的情况下，沿着相同的扫描线发射相继的束，可以改变每次发射的束形成参数，从而提供最大焦点变化，或者相反改变每次发射所接收到的数据的内容。通过改变所加电压的时延和幅度，束以及其焦点能在平面上移动，以便扫描研究对象。

当在接收方式下使用换能器探针来接收反射的声波时，应用相同的原理。把在接收换能器元件处产生的电压这样加起来，使得合成信号反映从研究对象的单个焦点反射的超声波。正如发射方式的情况那样，通过给予从每个接收换能器元件来的信号以不同的时延(和/或相移)和增益，来实现超声能的这种聚焦接收。然后对束形成器通道的输出信号进行相干求和，以便形成对应于对象区或感兴趣的体积中的样品体积的每个焦点的相应的象素的亮度值。对这些象素亮度值进行对数压缩、扫描转换，然后将其显示为正被扫描的组织的图象。

当活组织的类型和解剖特性在图象亮度上不同时，活组织的类型和解剖特性在超声图象中最易区分出来。在传统的医用超声成象系统上的图象亮度是接收束形成信号幅度的函数，即在对每个换能器元件的被延迟的接收信号进行相干求和之后的结果。更准确地说，显示束形成信号幅度的对数，以及使用者可调节的增益和对比度，并且，如果需要，对少数灰度等级变换表进行选择。

在超声图象中，人的肾脏通常呈现为浅黑色、带亮光的椭圆形区域(对应于肾皮质)、形状不规则内部区域(髓质)。声谱仪工作者用来评价超声图象质量的标准是肾皮质与髓质之间的对比度(即所显示的亮度差别)。这可以事后通过手工调节灰度等级变换来人为地提高，不过这种办法只有很小的实际价值。另一种活组织反差结构的辨认方法会更受欢迎，除了接收幅度外，可以用它来区别活组织类型。

本发明是一种通过采用数据相关滤波来改进医学超声图象的方法和装置。采用根据接收超声信号的相干程度来区分活组织的种类的方法，所述滤波器提高活组织之间的对比度。这种方法还在一定程度上抑制斑点噪声，而不会明显地使分辨率变差。只需要对现有的超声成象系统的硬件作适度的改变，就能实时地实施这方法。本发明能结合到有基带束形成器或有纯时延束形成器(也称为射频(RF)束形成器)的数据超声成象系统的束形成系统中。

根据本发明的方法，对图象中的每个象素计算称为相干因子的量。相干因子被定义为两个量的比值：相干求和的接收信号幅度与非相干求和的接收信号幅度。相干数据被存储在缓冲存储器，并可供选择地进行空间滤波和变换。获得幅度数据，并同时把它存储在缓冲存储器中。

本发明的系统能有选择地工作：只显示相干信息；只显示幅度信息；或者显示相干的和幅度的信息的组合。根据最佳实施例，这种组合包括逐个样品地把接收束形成幅度乘以相干因子，然后以传统的方式，即进行对数压缩和扫描转换来显示改变了的幅度。

图1是包括本发明的超声成象系统的方框图。

图2是显示构成图1的系统的一部分的接收器的方框图。

图3是更详细地显示图2的接收器的方框图。

图4是更详细地显示图2的探测处理器的方框图。

图5是说明根据本发明的第一和第二最佳实施例的相干因子C的变换的曲线图。实线是系统设定值(无映象)，而虚线表示两种有阈值的线性变换。

如图1所示，包含本发明的超声成象系统包括换能器阵列10，后者包括多个单独驱动的换能器2，当以发射器12产生的脉冲波形激励时，每个换能器产生超声能脉冲串。从研究对象反射到换能器阵列10的超声能被每个接收换能器2转换成电信号，并通过一套收发转换(T/R)开关16被分别加到接收器14。对操作人员的命令作出响应，数字控制器18控制发射器12、接收器14和开关16的工作。通过获得一系列回波来进行一次完整的扫描，在这过程中，开关16被设置在它们的发射位置，发射器12马上被选通而激励每个换能器2，然后，开关16被设置在它们的接收位置，由每个换能器2产生的随后的回波信号被送到接收器14。从每个换能器2来的分开的回波信号在接收器14被组合成单个回波信号，此回波信号被用来在显示系统20产生图象中的行。

发射器12这样驱动换能器阵列10，使得所产生的超声能被定向或控制成一束。为了做到这一点，发射器12向各个加到相继的换能器2的脉冲波形24加入时延T_i。通过以传统的方式适当地调节时延T_i，超声波束的方向能从轴25偏离一个角度θ，并且聚焦在固定距离R的位置。通过在相继的激励中逐渐改变时延T_i，来进行扇区扫描。这样逐渐增加角度θ，把发射的束控制在一系列方向上。

每个超声能的脉冲串所产生的所述各回波信号从处于沿超声波束的相继区域的研究对象被反射回来。回波信号分别被每个换能器2检测，在特定时刻回波信号幅度的样值代表发生在特定区域的反射量。可是，由于在反射点P与每个换能器2之间的传播路径的差别，这些回波信号不是同时被探测到。接收器14放大这些分开的回波信号，对每个回波信号加入适当的时延，并对它们求和，产生单一的回波信号，后者准确地表示沿以角度θ取向的超声波束处于距离R的点P反射回来的总超声能。

为了同时对由落到每个换能器2上的各回波所产生的电信号求和，在接收器14的每个分开的通道34(见图2)中引入时延。接收的束时延是与上述的发射延迟相同的延迟T_i。可是，每个接收通道在接收回波期间，时延连续地改变，以便提供被接收束在发出回波的距离R处的动态聚焦。

在数字控制器18的控制下，接收器14在扫描期间提供这样的延迟，使得对接收器14的方向的控制跟踪由发射器12控制的束的方向θ，并且对在一系列距离R处的回波信号取样，以便提供适当的延迟和相移，来沿着束动态地聚焦到P点。这样，每次超声脉冲波形的发射都导致获得一系列的数据点，它们代表从沿超声波束的对应的一系列点P反射的声音的量。

扫描转换器19接收所述一系列由接收器14产生的数据点，并且把数据转换成所希望的图象。更准确地说，扫描转换器把声图象数据从极坐标(R-θ)扇区格式或笛卡儿坐标线性阵列，以视频速率转换成有合适比例的笛卡儿坐标的显示象素数据。然后，这扫描转换成的声数据被送到显示系统20的显示监控器(未示出)，显示监控器使信号包络的随时间变化的幅度以灰度的形式成象。

如图2所示，接收器14包括三部分：时间-增益控制部分26、接收束形成部分28和中间处理器30。时间-增益控制(TGC)部分26包括每个接收通道34的各个放大器32，为了控制放大器32的增益而设置时间-增益控制电路36。每个放大器32的输入端耦合到各自的换能器2来放大它所接收的回波信号。TGC电路36通过控制线38控制由放大器32所提供的放大量，而通过手工操纵电位器40来设置TGC电路。

接收器14的接收束形成部分包括多个接收通道34，每个接收通道34在各自的输入端42从各自的放大器32接收到模拟回波信号。模拟信号被数字化，并被变成有符号的数字化的样值流。这些样值在接收通道内被分别延迟，使得当它们与从每一个其它接收通道的样品一起被求和时，所得的和信号的幅度是在被控制的束θ从处于距离R处的点P反射回来的回波信号强度的量度。

如图3所示，除了被延迟的有符号的样值外，每个接收通道34还提供被延迟的有符号的样值的幅度或绝对值。如图3所示，被延迟的有符号的样值被送到相干求和总线44，而被延迟的有符号的样值的幅度被送到非相干求和总线46。相干求和总线44利用流水线加法器48对从每个接收通道34来的被延迟的有符号的样值求和，产生相干和A。非相干求和总线46利用流水线加法器50对从每个接收通道34来的被延迟的有符号的样值的幅度求和，产生非相干和B。

如图2所示，接收器的中间处理器部分30通过输出端A从加法器48接收到相干求和而得的束样值，并且通过输出端B从加法器50接收到非相干求和而得的束样值。中间处理器部分30包括探测处理器52，图4中将更详细地显示探测处理器52。

探测处理器52根据本发明计算和应用相干因子C。计算图象中每个象素的相干因子C，并把它定义为下面两个量的比值：接收信号的和的幅度与接收信号的幅度的和，或 $C=\left|\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i\right|/\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|s_i\right|$      (1)

其中s_i是第i个换能器元件的延迟后的信号。在图4所示的探测处理器52中计算这比值，办法是，在加法器54中计算相干和A的绝对值，然后在除法器56中计算相干和A对非相干和B的比值，即C=|A|/B。

对于纯时间延迟束形成器的情况，从每个通道来的信号是实的、带符号的量，而相干和是这些信号的代数和。非相干和是每个信号绝对值的代数和，即非负数的和。

对于基带束形成器的情况，通道信号是复数I+iQ，其中实数部分为I，而虚数部分为Q。相干和是这些复数的和，因此也是复数。这相干和的绝对值是实的、非负的数，即(I²+Q²)^1/2。这是通常的被对数压缩、扫描转换和显示的信号。基带束形成器的非相干和是每个(复数)通道信号的绝对值的和，即实的、非负的数。

这样，相干因子C是实的、非负的数。C的最小值是零，因为它是两个非负数的比值。在方程(1)中的分母只有在所有的s_i都为零时才会消失。在这情况下，分子也消失，所以C在这情况下被定义为零。C的最大值为1。这从Bessel’s不等式求出：

|A+B|≤|A|+|B|    (2)其中A和B是任意两个向量。C只在s_i是不依赖于i的常数时才等于1，只有在接收信号是完全相干时，即在整个换能器阵列上接收信号相同时才会出现这种情况。

对相干因子进行空间滤波可能是有好处的，因为象正常的幅度图象那样，相干因子受到斑点噪声的损害。可对相干信息进行空间滤波，以便减少这斑点噪声，而在不独立地显示相干数据的情况下(如下面描述的透明的表层和改进的灰度)不会明显地使最终图象的视在清晰度变坏。例如，相干因子能以简单的5×5滤波器来滤波，这种滤波器以25个值的平均来代替在5×5滤波器核(kernel)中的中心值。使用空间滤波增加了例如肾的亮和暗区域的对比度，和在脂肪与肌肉层的亮和暗区域的对比度。

根据本发明的另外的可供选择的方面，相干因子在它被显示之前或应用到幅度图象之前可被变换，以便优化特定成象应用场合的相干数据。例如，当相干因子C降到预先确定的阈值以下时，示于图5的交错变换(alternate mapping)M1将使数据变为零(zero out)(C’=0)。与此相似，交错变换M2将在另一个阈值处使数据变为零。在主要的诊断关心的事是在图象中辨认血管的情况下，这是有用的。

相干因子C提供关于活组织的独立的信息，并能以单独的图象或重叠在B型图象上面的透明彩色映象的形式显示出来。另一种办法是，可以把相干信息与幅度信息结合起来，并且以单一灰度图象的形式显示出来。在最简单的情况下，这种组合包括逐个样品地以相干因子乘接收束形成的幅度，然后，以传统的方式显示改变后的幅度(通过对数压缩和扫描转换)。

图4表示这样的系统，它能有选择地工作，以便只显示相干信息、只显示幅度信息或显示相干的和幅度的信息的组合。根据本发明的最佳实施例，相干和的幅度，即|A|被放入R-θ存储缓冲器58中，此存储缓冲器保存着每种距离R和每个扫描线方向θ的样值。上述计算出来的相干因子C被放入R-θ存储缓冲器60中。如上所述，可以任选地对相干信息进行滤波和放大。通过应用二维滤波器62和相干变换64在缓冲器60中进行滤波和放大操作。滤波后和放大后的相干因子数据在图4以输出C’表示。

存储器58的输出信号|A|被送到三位置转换开关66的输入端。当开关66被设为位置1时，开关66的输入端耦合到乘法器70的第一输入端。当开关66被设为位置2时，开关66的输入端不使用。当开关66被设为位置3时，开关66的输入端耦合到存储器72，后者存储着对数压缩查找表。

与此相似，存储器60的输出C’被耦合到三位置转换开关68的输入端。当开关68被设为位置1时，开关68的输入端耦合到乘法器70的第二输入端。当开关68被设为位置2时，开关68的输入端耦合到扫描转换器19。当开关68被设为位置3时，开关68的输入端不使用。

在第一工作方式下，只显示相干数据。这是通过把开关66和68都设置在位置2而实现的，从而输出信号C’被直接耦合到扫描转换器19，而扫描转换得到的相干数据被图1所示的显示系统按照长度比例显示。

在第二工作方式下，只显示幅度数据。这是通过把开关66和68都设置在位置3而实现的，从而输出信号|A|被直接耦合到对数压缩存储器72。在存储器72幅度数据被对数压缩，然后以传统的方式被扫描转换器19进行扫描转换。然后，被对数压缩和扫描转换过的幅度数据被显示系统显示。

在第三工作方式下，显示相干数据与幅度数据的乘积。这是通过把开关66和68都设置在位置1而实现的，从而输出信号|A|和C’被送到乘法器70的相应的输入端。乘法器70逐个样值地把幅度数据乘相应的相干因子。然后，以传统的方式对改变后的幅度数据进行对数压缩、扫描转换和显示。

虽然只说明和描述了本发明的某些最佳特征，但是，本专业的技术人员将可以提出许多改变，因此，应该理解，所附的权利要求书将复盖处于本发明真正的精神范围内的所有这种修改和变化。

Claims (18)

1．一种用于使超声波散射体成象的系统，其特征在于包括：

超声换能器阵列，用于发射超声波束和探测被所述超声波散射体反射的超声回波，所述换能器阵列包括多个换能器元件；

耦合到所述换能器阵列的发射装置，用于为多个样品体积中的每一个形成发射束；

包括多个接收通道的接收器装置，用于从所述多个换能器元件接收相应的幅度信号；

用于形成非相干和的装置，它对从被单个样品体积反射的超声回波导出的所接收的幅度信号求非相干和，为所述多个样品体积中的每一个形成各自的非相干和；以及

用于显示包括多个象素的图象的装置，其中每个象素的亮度是为所述多个样品体积中对应的一个而形成的非相干和的函数。

2．权利要求1的系统，其特征在于还包括：

用于形成相干和的装置，它对从被单个样品体积反射的超声回波导出的所接收的幅度信号求相干和，为所述多个样品体积中的每个形成各自的相干和；以及

为所述多个样品体积中的每个形成比值的装置，其中，所述比值等于各个样品体积的相干和的绝对值被所述各个样品体积的非相干和除所得的商。

3．权利要求2的系统，其特征在于所述被显示的图象中的每个象素的亮度正比于为所述样品体积中对应的一个所导出的所述比值。

4．权利要求2的系统，其特征在于还包括为所述图象的每个象素产生一个乘积的装置，所述乘积等于各个样品体积的相干和的绝对值乘以所述相应的样品体积的所述比值。

5．权利要求4的系统，其特征在于所述被显示的图象中的每个象素的亮度以对数的形式与为所述多个样品体积中对应的一个所导出的所述乘积成比例。

6．权利要求2的系统，其特征在于还包括用于在显示之前对所述多个样品体积的所述比值进行滤波的二维滤波器。

7．权利要求2的系统，其特征在于还包括用于在显示之前对所述多个样品体积的所述比值进行变换的变换装置。

8．一种用于使超声波散射体成象的方法，其特征在于包括下面的步骤：

发射超声波束，使它们聚焦在多个样品体积中的相应的样品体积上，起码多个所述样品体积含有超声波散射体；

对每个样品体积，在多个探测位置上探测从所述多个样品体积反射回来的超声回波；

响应从所述多个探测位置中的每一个对超声回波的探测而产生相应的幅度信号；

形成从被单个样品体积反射的超声回波导出的所述幅度信号的非相干和，为所述多个样品体积中的每一个形成相应的非相干和；以及

显示包括多个象素的图象，其中每个象素的亮度是为所述多个样品体积中对应的一个所形成的非相干和的函数。

9．权利要求8的方法，其特征在于还包括下面的步骤：

形成从被单个样品体积反射的超声回波导出的幅度信号的相干和，为所述多个样品体积中的每个形成各自的相干和；以及

为所述多个样品体积中的每一个形成比值，其中，所述比值等于各个样品体积的相干和的绝对值被所述各个样品体积的非相干和除所得的商。

10．权利要求9的方法，其特征在于所述被显示的图象中的每个象素的亮度正比于为所述多个样品体积中对应的一个所导出的所述比值。

11．权利要求9的方法，其特征在于还包括以下步骤：为所述图象中每个象素产生等于各个样品体积的相干和的绝对值乘以所述各个样品体积的所述比值的乘积。

12．权利要求11的方法，其特征在于所述所显示的图象中的每个象素的亮度以对数的形式与为所述多个样品体积中对应的一个所导出的所述乘积成比例。

13．权利要求9的方法，其特征在于还包括以下步骤：在显示之前对所述多个样品体积的所述比值进行空间滤波。

14．权利要求9的方法，其特征在于还包括以下步骤：在显示之前对所述多个样品体积的所述比值进行变换。

15．一种用于使超声波散射体成象的系统，其特征在于包括：

超声换能器阵列，用于发射超声波束和探测被所述超声波散射体反射的超声回波，所述换能器阵列包括多个换能器元件；

耦合到所述换能器阵列的发射装置，用于为多个样品体积中的每一个形成发射束；

包括多个接收通道的接收器装置，它用于从所述多个换能器元件接收相应的幅度信号；

用于形成非相干和的装置，它对从单个样品体积所反射的超声回波导出的所接收的幅度信号求非相干和，为所述多个样品体积的每一个形成各自的非相干和；

用于形成相干和的装置，它对从单个样品体积反射的回波导出的所接收的幅度信号求相干和，为所述多个样品体积中的每一个形成各自的相干和；

为所述多个样品体积中的每一个产生比值的装置，其中，所述比值等于各个样品体积的相干和的绝对值被所述各个样品体积的非相干和除所得的商；

第一存储器装置，用于为所述多个样品体积中的每一个存储所述相干和的所述绝对值；

第二存储器装置，用于为所述多个样品体积中的每一个存储所述比值；

为所述多个样品体积中的每一个产生一个乘积的装置，所述乘积等于各个样品体积的相干和的绝对值乘以所述各个样品体积的所述比值；

对耦合到所述乘积产生装置的输出端的数据进行对数压缩的装置；

开关装置，用于在第一开关状态下把所述第一和第二存储器装置耦合到所述乘积产生装置，并且在第二开关状态下把所述第一存储器装置耦合到所述对数压缩装置；以及

用于显示包括多个象素的图象、耦合到所述对数压缩装置的装置。

16．权利要求15的系统，其特征在于：所述显示装置包括用于对耦合到所述对数压缩装置的输出端的数据进行扫描转换的装置；以及，所述开关装置在第三开关状态时适合于把所述第二存储器装置耦合到所述扫描转换装置。

17．权利要求15的系统，其特征在于还包括用于在显示之前对所述多个样品体积的所述比值进行滤波的二维滤波器。

18．权利要求15的系统，其特征在于还包括用于在显示之前对所述多个样品体积的所述比值进行变换的变换装置。

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