CN1310037C - 用于获得图像的方法、系统和探测器 - Google Patents

Abstract

处理方法、成像系统和探测器将能够通过由天线(1)发射的波在所照射的目标组件范围内反射后，根据该反射波抽取图像，从而获得图像，所述天线包括至少一排波发射器/接收器传感器。该处理方法用于通过向传感器提供相同激励信号而进行一系列相同类型的发射，这些发射信号合适交错，以便在每次发射中产生基本平面波，在传感器之间的延迟确定成这样，根据天线包括一排传感器还是多排传感器，所获得的等相位表面在直线上或在一平面中。

Description

用于获得图像的方法、系统和探测器

本发明涉及一种通过由天线发出的波在所照射的目标组件范围内反射后，根据该反射波抽取图像，从而获得图像的处理方法。它还涉及实施该处理方法的成像系统以及该系统的波发射/接收天线。

尤其是，本发明的处理将能够用于通过成像系统形成两维或三维图像，该成像系统的主要元件例如为回波描记仪、雷达或声纳。下文中特别对回波描记用途进行了说明，但是当雷达或声纳在近场模式下工作时，它同样可用于雷达或声纳领域。

特别是，已知在回波描记仪中，通常的趋势是制造装备有声发射/接收探测器的系统，该声发射/接收探测器有天线，该天线装备有排列成一排或多排的大量超声传感器。在各种已知类型的声探测器中，特别有1D声探测器，该1D声探测器有包括单排传感器的天线，该天线有固定聚焦，使它只能在一维空间中扫描声音。还已知1.5D探测器，该1.5D探测器有包括几个对称控制传感器排的天线，它们能够获得发射射束的可变聚焦。还已知2D探测器，它们有包括共面传感器的天线，这些传感器根据矩形或方形矩阵进行布置。它们可以在空间中沿两个射束方向改变发射和接收射束的方向。

当前的趋势是产生越来越窄的射束，这必然需要越来越严格的时间约束。这样，例如在回波描记仪中，探测的最大距离通常大约为20cm，声束向外-返回的旅行时间为大约250μs。因此，通过200信道(channel)对将探测的空间进行扫描需要50ms，这处于可接受的极限，当目标组件是生物体的器官时，不能进行信号的Doppler处理。

而且，该信道数目不足以允许在发射时可变距离聚焦，且它不适于探测器天线包括大量传感器的情况，例如天线具有2500个传感器的情况。

用于解决该问题的已知方法包括发射较宽射束，以便减少扫描时间，该减少的比例等于包含在一个发射信道中的接收信道的数目。不过，这样的结果是减小了发射和接收的主波瓣(lobe)与侧波瓣的总比值。这由图1至6所示可知。在图1中，前三个示意表示了在发射时主波瓣与侧波瓣的PSE比例，在图2中，当发射和接收波瓣有相同宽度时，在接收时的比例PSR相同，在图3中，总比例PSG对应于发射以及随后的接收所形成的合成图形。

图4至6表示了相同比例PSE、PSR和PSG，当发射射束较宽时如图4所示，尤其是与接收射束的关系如图5所示，这导致总比例PSG实际上与比例PSR相等，如图6所示，其中只表示了很少的接收信道。因为总比例PSG直接影响图像质量，因此，发射图形变宽将降低图像质量。因此，本发明用于采用特殊顺序的发射，该发射可以通过在接收时进行处理而提高总比例PSG，因此该发射导致获得良好图像质量。尤其是，它的目标是可以获得比相应接收图形宽得多的发射图形，以便能够大大减小目标组件的总照射时间。

因此，如前所述，本发明提供了一种处理方法，它可以通过由天线发射的波在所照射的目标组件范围内反射后，根据该反射波抽取图像，从而获得图像。其中，天线包括至少一排波发射/接收传感器。

根据本发明的一个特征，该处理方法可以用于通过向传感器提供相同激励信号或只由于加权而不同的信号，从而进行一系列相同类型的发射，这些发射信号合适交错，以便在每次发射中产生基本平面波，在传感器之间的延迟确定成这样，根据天线包括一排传感器还是多排传感器，所获得的等相位表面在直线上或在一平面中。

本发明还涉及系统和该系统的波发射/接收天线，它们可以通过由天线发射的波在所照射的目标组件范围内反射后，根据该反射波抽取图像，从而获得图像，所述天线包括至少一排波发射器/接收器传感器。

根据本发明的特征，该系统和该天线分别包括用于进行上述处理方法的软件和硬件装置。

通过下面的说明并结合下面所述附图，可以了解本发明的特征和优点。

图1、2和3分别表示了根据现有技术，对于发射射束、对于同样宽度的接收射束以及对于发射加接收的相应总和，主波瓣与侧波瓣的比例的实例。

图4、5和6分别表示了根据现有技术，对于较宽发射射束、对于较小宽度的接收射束以及对于发射加接收的相应总和，主波瓣与侧波瓣的比例的实例。

图7表示了一种已知成像系统，尤其是回波描记系统的示意图，该图表示了示例实例。

图8和10分别表示了对于线性天线和对于平面天线的顺序图形。

图9表示了代表用于驱动天线的传感器的脉冲串的图形。

图11和12分别表示了说明信道形状的视图。

图13和14分别表示了说明发射延迟的视图。

图15表示了关于模糊曲线的加权的一组曲线。

图16和20分别表示了通过平面波序列进行声扫描的区域的视图。

图17和18分别表示了通过具有不同方向并相对于该曲线延迟的三个序列所覆盖的区域的视图。

图19表示了关于驱动线性天线的传感器的脉冲的时间曲线。

在图7中表示的成像系统包括天线1，该天线1有大量波发射器/接收器传感器，这些传感器确定了天线，且这些传感器将能够允许对限定的工作容积进行声扫描。当该系统7为回波描记系统时，在该工作容积中将布置或放置要进行回波描记检查的组织，且天线1是回波描记探测器天线。这时，天线1组织成能够对目标组件进行探测(组织方式将在后面介绍)，尤其是，这些组件的元件位于组织内部，且它们以由传感器确定的方式被照射。该传感器既用于朝着目标发射信号，也用于恢复在反射后的信号。如回波描记仪中所知，该信号是超声波区域的声信号。

这里假设天线1与回波描记仪2相连，该回波描记仪2包括发射器级3，在该发射器级3中产生送向天线1的传感器的激励信号。该传送在时钟电路4的脉冲作用下根据预定顺序以预定周期进行，该时钟电路4以普通方式与该发射器级相连，这里不进行介绍。人机界面5的控制装置(例如键盘或面板类型)使得用户能够根据其要求作用在回波描记仪的各个构成元件上，并可以作用在天线1上。

在发射阶段，激励信号以周期性脉冲系列的形式从发射器级3并通过分离器级6而传送给天线1的传感器，接收器级7也与该分离器级6相连。激励信号在天线1的传感器中转变成超声波脉冲信号。分离器级6能够防止激励信号遮蔽接收器级7。在接收阶段由传感器拾取的、反射的超声波信号由接收器级进行考虑，在接收器级中，它们以可由用户进行选择确定的方式而组织成在接收信道中集合起来，尤其是用于聚焦目的。信号处理级8可以将由接收器级提供的信号转变成用户可利用的信号，例如转变成可以在显示屏9中表示的回波描记图像。众所周知，回波描记仪的操作通过可编程的控制单元结合时钟电路4来进行可操作的控制，该单元在一定程度上可以并入处理级8中。

根据本发明，可以通过天线进行一系列相同类型的发射，该天线的传感器(这里假设相同)以相同的激励信号驱动(可以在加权的情况下)，该激励信号恰好错开，这样，在衍射平面内产生波。因此，传感器之间的延迟设计成这样，即根据天线的类型，等相位的表面在直线上或在平面内，应当知道，在平面内可以是1D、1.5D或2D类型。实际上，发射可以用于一维情况，如图8中示意表示，这时，天线1’为1D类型，包括一排N个传感器10’，或者可以用于二维情况，如图10中示意表示，这时天线1”为2D类型，包括传感器10”矩阵。

例如，在图8中表示了对于1D类型天线1’的四个平面波w1、w2、w3和w4序列，而在图10中表示了对于2D类型天线1”的三个平面波w1、w2和w3序列。在任何情况下，波产生为平面，为此，各个传感器的激励信号合适错开，如图9所示，其中表示了与天线1’的传感器1、2、3…N-1、N的激励信号相对应的各个脉冲，这里假设这些信号随距离线性变化。

对于近场成像系统，可能包括大量传感器10’或10”的天线的尺寸相比波长而言较大，而成像系统的范围比Fresnel距离小，该Fresnel距离由表达式D²/λ给出，其中D是天线的传感器排的长度。这时，在声扫描容积中产生的波能很好地近似为平面。当信号的中心频率等于3MHz，且所用的线性天线包括256个间开λ/2(即0.25mm)的传感器10’时，天线的长度为256×0.25＝64mm，相应的Fresnel距离为64²/0.5＝8192mm。因此，该距离远远大于200mm，而200mm是回波描记检测的通常设计的最大范围。

对于恰好包括在上述情况下排列的64个传感器的天线，所获得的Fresnel距离为512mm，它仍然明显大于前述200mm的通常范围。在天线以相同并延迟的激励信号驱动时，由这种线性天线以发射平面波的方式而产生的场包括脉动波纹，尤其是在场的边缘，由于在边缘处的衍射。引入幅值加权可以大大减小该脉动波纹，同时不会明显改变所产生的波的平面性质。

由传感器排列发射平面波可以大大减小图像产生时间，因为单次发射可以照射的表面积等于系统的范围R乘以该天线的长度的乘积，而普通发射只照射一个信道。

不过，尽管由平面波照射能够以非常大的比例减少照射时间，但是另一方面，它导致主波瓣与侧波瓣的比例PSG减小。

因此，根据本发明，通过基于合成发射原理采用特殊发射图形，从而增加了该主波瓣与侧波瓣的比例PSG。为此，发射了一系列平面波，这些平面波的方向不同。对于具有给定几何坐标的目标点获得的不同接收信号通过根据该点的幅值和相位加权进行加和，这样，可以认为在该点范围内重新定相，就象这些波同时发射。与普通情况相同，该加权可以与导致重新定相的加权稍微不同，以便优化最终图形的质量。这样，对于各个目标点获得等效发射图形，接收图形乘以所获得的发射图形将导致比例PSG增加。

将接收信号布置在存储器中既可以在形成接收信道之前进行，也可以在形成接收信道之后进行。对于用于接收的天线的传感器，有一定的选择自由端，它们可以形成为用于发射的传感器的一部分，或者可以不为用于发射的传感器的一部分。当探测距离较短时，在接收时使用减少数目的传感器将可以避免孔径角的过大增加。在某些情况下，交叠或不交叠地构成几个接收射束也可能是优选的方法。

下面将结合图11简单地介绍通过在发射和接收时聚焦而形成信道，在图11中，我们假设天线布置在x轴上，并发射聚焦在点F上的波。在位于该轴上的点S发射的信号由以下公式确定：

S(t，x)＝e(t+SF(x)/c)pe(x)

其中，e(t)是发射信号，SF是在S和F之间的距离，c是波的传播速度，而pe(x)是s(t)的x向加权。

在点M范围内接收的信号由以下公式表示：

M(t，f)＝∫S(t-SM(x，M)/c)dx

当点M与F重合时，我们得到M(t)＝∫e(t)pe(x)dx。

在位于x轴上的点R处接收的信号由以下公式表示：

R(t，u)＝M(t-MR(u，M)/c)

在接收天线的输出点总体获得的信号是：

R_ff(t，M，F)＝∫R(t+RF(u)/c)pr(u)

该公式可以展开，如下所示：

R_ff(t，M，F)＝∫∫e(t+SF(x)/c-SM(x，M)/c-MR(u，M)/c+RF(u)/c)

pe(x)pr(u)dxdu

元素R_ff(t，M，F)是对于所接收信号的反射器在M处的分布，当发射信道和接收信道同样聚焦在F时，该分布对应于模糊图的空间部分。

当点M与F重合时，有以下公式：

R_ff(t，M，F)＝∫∫e(t)pe(x)pr(u)dxdu

这对应于发射和接收加权的乘积。下面将结合图12简单介绍在发射时的单个平面波进行的照射以及在接收时聚焦信道的形成。天线通常布置在曲线或任意表面内；为了简化附图，它表示为位于x轴上；各传感器发射信号，可能是宽带，产生平面波，即聚焦与无穷远，它的波向量的方向为沿单元长度方向V。

当波为平面时，在点M处接收的信号相对于参考点O的延迟等于

相应公式写成：

$M\left(t\right)=S(t-\stackrel{\→}{\mathrm{OM}}.\stackrel{\→}{V}/c)$

在天线的点R处接收的信号由以下公式确定：

r(t，M，R)＝M(t-MR(x，M)/c)

在聚焦后，在接收时所获得的信号写成：

$R_{\mathrm{pf}}(t,M,F)=\∫S[t-\stackrel{\→}{\mathrm{OM}}.\stackrel{\→}{V}/c-\mathrm{MR}(x,M)/c+\mathrm{RF}\left(X\right)/c]\mathrm{pr}\left(x\right)\mathrm{dx}$

在发射时由一系列平面波进行的照射、在接收时的聚焦以及在发射时合成信道的形成可以在下面确定。

假设发射通过进行具有不同方向的平面波的一串N次发射而获得。对于这N次发射的各个接收进行记录，且获得的接收信号暂时交错，这样，形成在发射时的合成信道。

通过采用上述相同的表示法，发射序列n的接收信号由以下公式表示：

$R_{\mathrm{pf},n}(t,M,F)=\∫S[t-\stackrel{\→}{\mathrm{OM}}.{\stackrel{\→}{V}}_n/c-\mathrm{MR}(x,M)/c+\mathrm{RF}\left(X\right)/c]\mathrm{pr}\left(x\right)\mathrm{dx}$

对于聚焦在F处的合成发射的接收信号由以下公式表示：

$R_{\mathrm{Spt}}(t,M,F)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{pe}}_n{R}_{\mathrm{pf},n}(t+\stackrel{\→}{\mathrm{OF}}.{\stackrel{\→}{V}}_n/c)$

或

$R_{\mathrm{Spt}}(t,M,F)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\∫S[t-\stackrel{\→}{\mathrm{FM}}.{\stackrel{\→}{V}}_n/c-\mathrm{MR}(x,M)/c+\mathrm{RF}\left(X\right)/c]{\mathrm{pe}}_n\mathrm{pr}\left(x\right)\mathrm{dx}$

该公式中与发射延迟相对应的项与经过点F和M的波平面之间的距离成正比，如图13中示意表示。当连接点F和M的直线垂直于向量V，从而在经过F的波平面内时，该延迟为零。在频率f时的相位变化与表达式

的值成正比。

对由接收信道引起(聚焦或不聚焦)，并与作为检查点的函数而暂时交叠的不同方向平面波发射相对应的信号进行求和就可能采用合成发射信道形式，这改进了发射接收乘积图形的特征。下面给出了非限定的实施例。

当发射包括两个等幅值的波，且这两个波有相对于V轴线对称的相应方向

和

时，如图14示意所示，延迟时间与

和

成正比。

当信号是具有频率F的正弦曲线时，接收信号成正比：

$\exp (2_{\mathrm{\πjf}}\stackrel{\→}{\mathrm{FM}}.\stackrel{\→}{V1}/c)+\exp (2_{\mathrm{\πjf}}\stackrel{\→}{\mathrm{FM}}.\stackrel{\→}{V2}/c)=$

$2\exp (2_{\mathrm{\πjf}}\stackrel{\→}{\mathrm{FM}}.\stackrel{\→}{\mathrm{\υ}}/c)\cos (2_{\mathrm{\πf}}\mathrm{FM}.\sin \mathrm{\α}/c)$

即

RE_Spf＝2exp(2_πjf FT.cosα/c)cos(2_πf FH.sinα/c)

当点M垂直于两个发射波向量

和

的平分线运动时，在发射的合成聚焦之后，在F处由M接收的信号的影响通过表达式cos(2π.sinα/λ.x)进行加权。

其中，x是从F到平分线的距离，因此周期λ/sinα独立于离天线的距离，因为两个波在它们为平面的整个区域内均匀干涉。

当有不同角度α的几个该类型发射对通过不同幅值和相位系数进行求和时，对于不同时间，获得的总加权等于余弦项的总和。因此，在垂直于传播的平均方向的轴线上，可以通过以函数对它们进行加权而改进图像的模糊图，该函数在特定距离区域内减小。该加权的效果随所考虑的点相对于天线的距离而变化，因为沿所述轴线的焦点的宽度为大约(λ/L)D，其中L是天线的长度，D是聚焦距离，见图15。

例如用于在焦点附近较大距离处引入衰减的加权将在远离该焦点的更短距离处引入该相同衰减。为进行纠正，可以产生在距离方面的发射模式。因此，例如当距离变化两倍时，波瓣的位置也将以比例2变化。

当然，通过非限定实例给出了上述结构，具有不同的加权和方向(随着距离变化或不变化)的其它平面波序列也可以采用。

下面将介绍成像系统的发射器/接收器系统的天线实例。它能够进行由一序列平面波构成的合成发射，尤其是，它属于回波描记系统的探测器天线。该天线将用于发射一系列平面波，这些平面波的方向大致相同，只是相对于发射的平均角度有很小的角度差异。在反射后由传感器接收的信号将在对由相应几何坐标确定的各目标点进行重新定相后进行组合。尽管该天线通常用于回波描记仪，但是它也适用于雷达和声纳，与这些用途领域的普通天线结构相比，本发明提供了降低成本的天线结构。

对检查容积的探测通过如上述改变平面波的平均方向而进行，该要检查的容积位于天线前面。

因此，它用于发射包括一定数目的平面波的波序列，各平面波能够对一定区域进行声扫描，该区域确定为矩形，并在平面表示的框架内，如图16所示，图16中表示了以参考标号D1、D2、D3和D4表示的一系列区域，这些区域假定通过认为是线性的天线而获得。在各个区域中，只要最大距离小于Fresnel距离，所产生的声场可以认为是平面波。所获得的波序列可以设想为能够通过改变平面发射波的平均角度而探测确定的检查空间，这样，它们所属的区域D1至D4在一定程度上部分交叠，如图16所示。还可以采用方向明显不同的发射，以便构成覆盖确定检查区域的合成发射图形。

在各个照射系列中，每个连续的平面波有着与另一个平面波大致相同的方向，只是相对于发射的平均角度有很小的角度差异。对检查容积的扫描通过改变平均方向而实现。这在图17中示意表示，在图17中表示了天线1’和由具有不同方向S1、S2、S3的三个波序列产生的场覆盖的区域，这些方向的相应区域部分部分交叠。

天线1’的传感器假定由在加权范围内的相同信号驱动。这些信号为宽带B且时间较短，优选是大约几个1/B，通常，对于3MHz的波带B为大约几微秒。将施加给两个连续传感器的信号分离长度距离p的延迟时间等于(p/c)sinφ，见图17和18。当与这些传感器相对应的区域邻接时，角度φ由公式sinφ＝D/2L给出，其中D是天线的长度，L是系统的设想范围。

当传感器的数目N相对较大时，角度相对较大，因此，对于3MHz的平均频率f、3MHz的波带以及包括256个节距p为0.25mm的传感器的线性天线，该0.25mm的节距p对应于在频率f时的半波长，我们获得：

sinφ＝D/2L＝0.16，其中范围L固定为200mm。

这时，所获得的延迟时间τ等于26.7ns，因此，施加给第十六传感器10₁₆’的脉冲I₁₆恰好在施加给第一传感器10₁’的脉冲I₁结束后产生，如图19所示。

因此，根据它们所连接的回波描记仪2，这时可以将天线的256个传感器以16个一组分成多组，并因此使多组中相同序列的传感器通过一个相同的信号传输连线供给，这里并不考虑它们所需的控制连线。

通常，对于范围L的线性天线，该天线包括N+1个传感器，该传感器以节距p排列，且发射脉冲的周期为T，根据回波描记仪和在上述条件下，在发射时可以朝天线发射恰好N+1/M信号。

M等于商m＝T/(p/c.sin(Np/2L))的整数部分。

这样的发射留下了没有通过声扫描的一部分检查区域，例如在图20中的三角形区域ABH。不过，当需要时可以通过只使用该天线的较小部分来扫描该区域。对于线性或平面天线，也可以通过同一信号同时驱动天线的所有传感器而对该区域进行声扫描。这可以通过以本领域技术人员所知范围内的简单方式将装置改变成复用天线的控制信号而实现。

Claims (13)

1.一种处理方法，能够通过由天线(1)发射的波在所照射的目标组件范围内反射后，根据该反射波抽取图像，从而获得图像，所述天线包括至少一排波发射器/接收器传感器(10’或10”)，其特征在于：它用于发射一系列平面波，这些平面波的方向不同，对于给定几何坐标的目标点获得的不同接收信号通过根据该点的幅值和相位加权进行加和，所述接收信号暂时交错，从而在发射时形成合成信道。

2.根据权利要求1所述的处理方法，其中：通过采用激励信号而产生一系列发射，这些激励信号彼此交错，并可选择地驱动天线传感器，以便能获得一系列不同方向的平面波。

3.根据权利要求2所述的处理方法，其中：该发射序列包括相同性质的发射对，该发射对在每对范围内相对于选定的传播平均方向对称进行，每对相对于该平均方向有不同角度(α)，和/或每对有不同幅值。

4.根据权利要求2所述的处理方法，其中：对于每个目标点，用于一系列发射的由天线传感器接收的信号在特别对该目标点进行幅值和/或相位的加权的情况下来加和，以便能通过计算获得到达该点的、重新定相的发射平面波。

5.根据权利要求3所述的处理方法，其中：对于每个目标点，用于一系列发射的由天线传感器所接收的信号被加和，并被赋予一个加权，该加权依据在垂直于传播的平均方向的轴线上的点的距离的递减函数而进行。

6.根据权利要求4所述的处理方法，其中：在形成接收信道之前，一系列发射的接收信号布置在存储器中。

7.根据权利要求4所述的处理方法，其中：在形成接收信道之后，一系列发射的接收信号布置在存储器中。

8.根据权利要求1所述的处理方法，其中：用于接收的天线传感器的数目相对于用于至少同一系列发射的天线传感器的数目要小。

9.根据权利要求1所述的处理方法，其中：传感器组织成能够形成交叠或不交叠的几个独立的接收射束。

10.一种成像系统，能够通过由系统的天线(1)发射的波在所照射的目标组件范围内反射后，根据该反射波抽取图像，从而获得图像，所述天线包括至少一排波发射器/接收器传感器(10’或10”)，其特征在于：它包括软件和硬件装置，用于执行根据权利要求1至9所述的之一的处理方法。

11.一种回波描记成像系统，能够通过由系统的探测器的声音天线发射的超声波在所照射的目标组件范围内反射后，根据该反射波抽取图像，从而获得图像，所述天线包括至少一排超声波发射器/接收器传感器，其特征在于：它包括软件和硬件装置，用于执行根据权利要求1至9所述的之一的处理方法。

12.一种用于回波描记成像系统的波发射/接收探测器，能够通过由所述探测器的天线(1)发射的波在所照射的目标组件范围内反射后，根据该反射波抽取图像，从而获得图像，所述天线包括至少一排波发射器/接收器传感器(10’)，其特征在于：构成排的传感器N个一组分成多组，每个传感器与该排包括的各组的相同序列的传感器多路复用，所选择的每组传感器的数目为这样，该排的传感器组的传感器的、包括脉冲的驱动信号在与下一组的相同序列的传感器的驱动信号相对应的脉冲开始之前终止。

13.根据权利要求12所述的波发射/接收探测器，包括在一排中的(N+1)个传感器，在该排中，该传感器以给定节距(p)分布，且通过给定周期(T)的脉冲控制发射，其特征在于：它设计成使该排的传感器在发射时通过给定数目((N+1)/M)的信号控制，这样，分母的数(M)等于商m＝T/(p/c)sin(Np/2L)的整数部分，其中c是波传播速度，L是系统的设计范围。

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