CN1389178A - 相变换超声成像的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用具有不同振幅、频率、相位和/或脉冲宽度的多个入射脉冲集合来实现超声波成像的系统和方法。在一个实施例中,k个入射脉冲之间的相位差为360/k,为第k个序列谐波脉冲提供结构干涉条件。不同入射脉冲集合之间的振幅调制是恒定的。这些脉冲集合被射入研究媒质中,并且接收由媒质改变后的回波信号,然后把这些回波信号进行叠加,产生叠加信号。叠加后的脉冲代表从每种传播脉冲集合所接收的净共模信号。以宽束重构方法为基础,可以利用这种合并后的信号集合重构超声波图像。

Description

相变换超声成像的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种超声成像，特别是涉及能改进和增强超声图像的方法和装置。
背景技术
由于超声成像的非侵害性、低成本和快速响应特点，它被广泛应用于各种诊断过程中。超声成像的这些特点在医疗领域中尤其重要，因为这种方法在达到所需效果的同时可以减少甚至消除患者暴露在辐射环境中的危险。典型的超声成像步骤包括：1)产生超声波束并把它射入要研究的媒质中；2)观察从不同组织和组织边缘反射回来的结果波。这种结果波作为要研究的信号。这些信号经过后期处理后以点的方式被显示在屏幕上。点的强度与从相应位置反射回来的波束的振幅成正比。位置的确定以超声波射入研究媒质后的已知传播和二次发射率为基础。
典型情况下，一个传播到研究媒质中的超声波信号由特定波形的正弦波脉冲组成。这些正弦波通过换能器后形成入射信号。典型入射信号的范围为40kHz到50MHz，但常用的范围是40kHz到1MHz。当入射信号与组织层和层间边界作用时，超声信号由于散射、共振、衰减、反射或透射而改变。
研究媒质通常是非线性性质的媒质，例如人体组织。非线性媒质在回波信号中产生谐波频率。这些附加的频率部分会继续，并产生反射或与其它结构相互作用。反射(或回波)信号的一部分会传回到接收换能器中。
返回到接收换能器中的基波和谐波频率信号包括全部信号，必须对这些信号进行进一步处理，以消除噪声和无关部分。接收换能器可以是发射换能器，也可以是完全独立的装置。当使用同一个装置时，需要使用发射/接收(T/R)开关把换能器连接到发射设备或接收后期处理设备上。接收换能器接收回波信号和产生的所有噪声，并把这些信号转给后期处理设备的一部分(称为波束生成器)。波束生成器用以消除噪声信号，它可以是自适应的，也可以是固定配置的。自适应波束生成器通过监视噪声场和调整内部参数来消除各种方向的噪声源，尽可能降低背景噪声。固定波束生成器可以消除无向性噪声，并且能利用反射信号的方向性。
最终，人体的超声波图像会以谐波图像的方式显示出来。谐波成像的产生与组织边界的可视程度和不同媒质的密度有关，也与应用于特定谐波频率的造影剂有关。造影剂通常是充有液体的微型颗粒，它在超声频率下产生共振。这种造影剂被注入人体后随血液传播到身体的各个部分。当它被超声频率激发时，由于其内部产生谐振，会生成谐波回声定位信号。
虽然超声波成像方法与其它类型的诊断技术相比有不少优点，但是传统的超声波方法和系统无法有效地解决背景噪声问题，因而很难确定要研究区域的精确位置，也无法正确分析接收到的信号。为此，人们试图采用各种叠加方法来减少背景噪声，但是，到目前为止还没有某种叠加方法能够有效地定位密度相似的不同组织之间的要研究区域(从密度相似的不同组织产生的回波信号会混成一团，其间的界面非常模糊，在这种情况下叠加方法不起作用)。而且，由于人体内的多种组织在密度上基本相似，所以更加为解释超声波结果增加了难度。因此，需要开发某种方法和系统来有效地解决上述的问题，同时不能降低超声波成像系统的总体优点。
发明内容
本发明是用于产生增强的超声波图像的一种方法和系统。本发明利用了以一种交替方式到要研究媒质中的多超声波脉冲。这些被成像的媒质可以是人体组织或其它线性/非线性媒质。这些超声波脉冲的振幅、频率、相位、或脉冲宽度不同。每个超声波脉冲集合与其它超声波脉冲之间都有360°/k的相差。其中的k是与特定换能器元素号(n)有关的脉冲序列的脉冲集合数。当波形的频率相同但在同一时刻时没有相应的强度值时，会产生这种失相条件。与这些失相信号作用的非线性组织会产生回波信号，我们对这些回波信号进行测量和适当的合并。
本发明基于一种观察事实：即多种媒质以非线性方式散射声音。在针对线性散射媒质的超声波成像系统中，返回信号与入射信号之间有一定的时移，且返回信号的强度(振幅)与入射信号的强度成正比。非线性散射媒质产生的信号无法由对散射点的入射信号进行简单的时移、缩放或叠加产生。从非线性媒质的边界反射的超声波的相位的改变方式取决于入射信号的相位。例如，请考虑下面的两个超声波脉冲(k＝2)的特殊情况，其中两个声音脉冲的相差为360°/k＝360°/2或180°。如果散射点是纯线性的，那么从每个入射脉冲接收到的反射信号的相位是互为相反的。对这些反相信号进行叠加，其和为0。但是如果有从媒质内的非线性过程产生的信号，那么这些信号不是互为相反的，其和也不等于0。
我们可以利用这种非线性特性来构造一个系统，从而观察给定媒质内的非线性区域。例如，在本发明的一个实施例中，三个不同的入射信号集合形成一个图像区，这三组信号之间的相差为120°。由这三个(k＝3)激励脉冲集合所产生的线性反射会相互抵消，而第k个序列谐波的非线性部分无法抵消。利用这种脉冲抵消可以产生原始接收数据的一个叠加集合F(n，t)，还可以产生原始接收数据的一个三维叠加集合F(n，m，t)，其中的m是从二维矩阵或n×m换能器矩阵产生的元素。数据的函数性取决于频道(或换能器)的数量和时间。这种叠加数据的单个集合可用于重新构造一个图像区。重构的图像区代表从媒质内的散射点产生的第三个谐波(或第K个)所生成的信息。
附图说明
图1是利用本发明实现的一个超声波成像系统的原理框图；
图2显示了可能被改变的多个波形中的一个；
图3是在把信号射入研究媒质之前的信号发射器单元的一个实施例；
图4A显示了接收器和原始数据叠加器单元的一个实施例；
图4B显示了接收器和原始数据叠加器单元的另一个实施例；
图5显示了数据处理单元的一个实施例。
具体实施方式
本发明涉及超声波成像领域。本发明利用了宽束技术(B2技术TM)来实现对要研究的媒质的非线性元素进行图像提取。我们在下文中把这种媒体称为研究媒质。宽束技术定义了特定时间点上要研究的一个区域，它与采用聚焦波束的系统截然不同。
图1是利用本发明实现的一个超声波成像系统的原理框图。其中的成像系统100由一个或多个信号发生器单元110、一个或多个信号发射器单元120、需成像的研究媒质130、一个或多个用于捕捉从研究媒质130返回的信号的接收器和原始数据叠加器单元120、以及一个用于对已叠加的接收信号进行处理并在图像显示单元160上形成图像的数据处理单元150构成。
信号产生器单元110驱动信号发射器单元120的电路。信号发射器单元在图3中显示并做进一步描述。
信号发射器单元120把具有超声波能量的脉冲集合射入研究媒质130中。从研究媒质130接收到的回波信号被存储在接收器和原始数据叠加器单元140中。从信号发生器单元110产生的后续失相信号通过信号发射器单元120，被转化为传送到研究媒质130中的超声波脉冲集合。研究媒质130使超声波脉冲集合发生变化。这种变化后的超声波脉冲集合由接收器和原始数据叠加器单元140接收和叠加。这些接收到的脉冲集合的数据被叠加为一个数据集，它是频道数n和时间t的函数。叠加数据集由数据处理单元150处理，并显示在图像显示单元160上。
图2显示了可能被改变的多个波形中的一个。该图中显示的例子说明了信号发生器单元110如何调制产生的信号。例如，一种常用的调制方法是改变未受影响的输入信号的振幅、频率或脉冲宽度中的一个或多个参数。对于给定的脉冲集合，还可以对调制后的信号改变相位。为了实现调制，可以使用正弦波的包络(线)函数A(n，t)，其公式为
Figure A0212202000141
，最终的波形为A(n，t) 。在这种波形表达方式中，n是换能器的元素号，i是给定的脉冲指数(例如，如果利用第二个谐波，即k＝2，那么i＝1，2)。给定脉冲集合中的不同脉冲序列的相位是不同的，由θi符号表示。
为了说明相变的概念，我们来看一个k为3的例子。在本例中，脉冲集合中的脉冲之间相位差是360°/k＝360°/3＝120°。第一个脉冲的相位为水平方向，即其相位角为0°；第二个脉冲的相位角为120°(即与第一个脉冲的相位角相差120°)；第三个脉冲的相位角为240°(即与第一个脉冲的相位角相差240°)。在发出第一个脉冲并收到回波后，发出第二个脉冲并收到回波，如此按顺序进行，同时捕捉所有信息。在这种情况下，基频回波可以合并后抵消，只剩下谐波产生的回波。从前述内容可以知道，谐波回波是由非线性媒质产生的。
在本例中，我们还可以使用高斯波形的包络线函数A(n，t)。发射的信号还可以调制为线性调频信号(即扫频调制，其傅利叶变换仍以基频为中心，其离散性更宽)。我们还可以使用数字波形产生器来代替图2所示的卷积方法。
图3显示了在信号射入到研究媒质之前的信号发射单元120的一个实施例。信号发射器单元120包括一个或多个功率放大器330，一个发射/接收开关340、以及第一换能器350。信号发射器单元120还可以配有一个延迟电路310。延迟电路310可以采用模拟延迟或数字延迟。信号发射器单元120还可以配有一个频道增益单元320来驱动功率放大器330，使其根据频道数和时间变化。另外，信号或脉冲可以是脉冲宽度调制的(图中没有示出)，以实现节能。在使用电池供电的系统中，节能可能是很关键的。
图4A显示的是接收器和原始数据叠加器单元140的一个实施例。第二个换能器410接收由研究媒质130所更改的脉冲集合。它把接收到的脉冲集合从超声能量转化为电信号。可以使用第二个发射/接受开关420来把转化后的电信号耦合到相应的电路中。在一个实施例中，第二个换能器410和第二个发射/接收开关420可以与图3中的第一个换能器350和第一个发射/接收开关340相同或为等价的装置。在系统中还可以增加第二个功率放大器430，并由增益控制单元440控制，使其按时间变化。功率放大器430的输出向可选带通滤波器450发送放大的信号。带通滤波器450可以与其它装置一起使用来减少或消除无关的噪声信号。图4A和4B中虽然显示的是不同的实施例，但具有相同的布局，并且包含有带通滤波器450。
图4A中实施例的电信号被耦合到第一个模拟/数字(A/D)转换器460中，并且还可以进入一个可选的同相/积分(I/Q)混频器470中，该混频器产生单边带信号，并把信号送到可选的第一基带滤波器480和叠加器490中。可选的第一基带滤波器的作用是减少或滤掉由原始脉冲集合接收的信号的基频部分，剩下谐波信号。叠加器的一个作用是按点产生所接收的电信号的算术平均值。从数学的角度看，这种算术平均值可以表示为 F ( n , t ) = Σ i = 1 k R i ( n , t ) k ，其中接收到的信号Ri是传播循环的所有元素之和，该循环是频道数和时间的函数，它与原始入射脉冲相关。信号路径中的所有其它成分都是很基本的，本领域的人员对它们都很熟悉。
图4B显示的是接收器和原始数据叠加器单元的另一个实施例。从前述内容我们可以知道，图4A和图4B中的实施例采用了相同的布局，并且带有可选的带通滤波器450。从带通滤波器450的角度来看，图4B中实施例的信号进一步被耦合到模拟混频器455、可选的第二个基带滤波器465、第二个模拟/数字(A/D)转换器475和叠加器490中。
图5显示的是数据处理单元150的一个实施例。从图中我们可以看到，数据处理单元150接收从接收器和原始数据叠加器单元140发来的叠加数据。叠加后的数据作为数据处理单元150的输入，由I/Q原始数据矩阵510接收，该矩阵把叠加后的数据存储在M×N维数组中。其中的M是取样的数量(通常为1到10,000之间)，而N是元素数量的2倍(包括同相和积分)。这些叠加后的数据被送到数字信号处理器(DSP)520中。该处理器把原始数据重构为一个声音图像区。重构公式的形式可以为：
。在此公式中，αi代表孔径函数，r为在给定角度φ下与换能器中心的径向距离，函数F是接收的原始数据的叠加值集合。数字信号处理器520的功能有多种实现方式。例如，在本发明的另一实施例中，采用一种特定用途集成电路(ASIC)作为数字信号处理器520。这些转换后的数据(以极坐标方式表示)被存储到J×K矩阵的声音图像数据缓存区530中。其中的J是范围取样的数量，K是角度取样的数量。此时，数据还只是给定角度φ下与换能器的距离r的函数。这些也可以在直角坐标系中实现。声音图像数据缓存区530存储数据，等待扫描转换器540调用这些数据。r-φ扫描转换器540把I(r，φ)图像数据转换和重构为以直角坐标数据I(x，y)表示的图像数据。r-φ扫描转换器是我们所熟知的，它的作用是通过坐标转换的方式把二维数据从极坐标转换为直角坐标形式。其公式为：
x＝rcos(φ)和y＝rsin(φ)。
从数据处理单元150的输出产生图像数据I(x，y)，该数据与超声能量脉冲集合的照射区相对应。这些转换后的I(x，y)数据可以在图像显示单元160上显示出来。图像显示单元160可以是任何可视的显示设备，包括但不局限于计算机监视器、平面或液晶显示器、阴极射线管(CRT)等等。
从上述过程和装置的实施例中，我们可以非常容易地根据本发明实现多种变化。例如可以很容易地实现一个能够显示全3维(3D)图像的系统。这种3维系统可以采用全息术或其它方法实现。很明显地，这些经变化后产生的系统都应属于本发明的概念范围之内。

Claims (45)

1、一种用于超声成像的系统，其特征是，该系统包括：
一个信号发生器单元，用于产生至少两种失相脉冲；
一个与上述信号发生器单元耦合的信号发射器单元，用于把上述至少两种失相脉冲射入到研究媒质中；
一个接收器和原始数据叠加器单元，用于接收由研究媒质所改变的上述至少两种失相脉冲；
一个与上述接收器和原始数据叠加器单元耦合的数据处理单元。
2、如权利要求1中的系统，其特征是，该信号发生器单元是一种数字波形产生器。
3、如权利要求1中的系统，其特征是，该信号发生器单元可以调制至少两种失相正弦波的振幅，从而产生上述的至少两种失相脉冲。
4、如权利要求1中的系统，其特征是，该信号发生器单元可以调制至少两种失相正弦波的频率，从而产生上述的至少两种失相脉冲。
5、如权利要求1中的系统，其特征是，该信号发生器单元可以调制至少两种失相正弦波的脉冲宽度，从而产生上述的至少两种失相脉冲。
6、如权利要求1中的系统，其特征是，该信号发生器单元可以使用包络线函数来卷积至少两种失相正弦波，从而产生上述的至少两种失相脉冲。
7、如权利要求6中的系统，其特征是，该包络线函数是一个高斯波形。
8、如权利要求6中的系统，其特征是，该包络线函数是一个线性调频波形。
9、如权利要求6中的系统，其特征是，至少两种失相正弦波被调制为产生线性调频高斯脉冲宽度调制的波形。
10、如权利要求1中的系统，其特征是，该信号发射器单元包含一个功率放大器、一个发射/接收开关和一个换能器。
11、如权利要求10中的系统，其特征是，该系统还带有一个数字延迟电路。
12、如权利要求10中的系统，其特征是，该系统还带有一个模拟延迟电路。
13、如权利要求10中的系统，其特征是，该系统还带有一个频道增益电路。
14、如权利要求1中的系统，其特征是，该至少两种失相脉冲由上述的信号发射器单元交替发射，以产生一个脉冲集合。
15、如权利要求1中的系统，其特征是，该接收器和原始数据叠加器单元包括一个换能器、一个发射/接收开关、一个模拟/数字(A/D)转换器和一个叠加器。
16、如权利要求15中的系统，其特征是，该接收器和原始数据叠加器单元还带有一个功率放大器、一个带通滤波器和一个基带滤波器。
17、如权利要求15中的系统，其特征是，该接收器和原始数据叠加器单元还带有一个同相和积分混频器。
18、如权利要求1中的系统，其特征是，该信号发生器单元和接收器/原始数据叠加器单元共用一个换能器。
19、如权利要求1中的系统，其特征是，该数据处理单元包括一个同相和积分混频器、一个数字信号处理器、一个声音图像数据缓存器和一个扫描转换器。
20、如权利要求1中的系统，其特征是，该数据处理单元包括一个同相和积分混频器、一个特定用途集成电路(ASIC)、一个声音图像数据缓存区和一个扫描转换器。
21、如权利要求1中的系统，其特征是，该系统还带有一个与上述数据处理单元耦合的图像显示单元。
22、如权利要求21中的系统，其特征是，该图像显示单元是一种计算机监视器。
23、如权利要求21中的系统，其特征是，该图像显示单元是一种平面显示器。
24、如权利要求21中的系统，其特征是，该图像显示单元是一种液晶显示器。
25、一种用于处理超声图像的方法，其特征是，包括：
产生至少两种失相脉冲；
把上述至少两种失相脉冲转化为至少两种失相声音脉冲；
把上述至少两种失相声音脉冲射入到研究媒质中；
接收从上述研究媒质中返回的至少两种被改变的声音脉冲，并对它们进行叠加处理；
从上述至少两种被改变的声音脉冲构造图像数据。
26、如权利要求25中的方法，其特征是，至少两种失相脉冲的振幅被调制。
27、如权利要求25中的方法，其特征是，至少两种失相脉冲的频率被调制。
28、如权利要求25中的方法，其特征是，至少两种失相脉冲的脉冲宽度被调制。
29、如权利要求25中的方法，其特征是，至少两种失相脉冲被包络线函数卷积，以产生上述的至少两种失相脉冲。
30、如权利要求29中的方法，其特征是，包络线函数是一个高斯波形。
31、如权利要求29中的方法，其特征是，包络线函数是一个线性调频波形。
32、如权利要求25中的方法，其特征是，至少两种失相脉冲的相位之间相差为360°/k，其中k为上述至少两种失相脉冲的数量。
33、如权利要求25中的方法，其特征是，对上述改变后的声音脉冲进行叠加的方法是对作为频道数和时间的函数的传播过程的所有元素进行逐点数学叠加运算，从而与上述至少两种声音失相脉冲相关联。
34、一种用于超声成像的系统，其特征是，包括：
一个信号发生器单元，用于产生至少两种失相脉冲；该信号发生器单元可以使用包络线函数调制至少两种正弦波，以产生调制后的至少两种失相脉冲；上述信号发生器单元还可以把上述至少两种失相脉冲转化为至少两种失相声音脉冲；
与上述信号发生器单元耦合的一个信号发射器单元，用于把上述至少两种失相声音脉冲射入到研究媒质中；
一个接收器和原始数据叠加器单元，用于接受由研究媒质所改变的上述至少两种失相声音脉冲；从上述至少两种经改变的声音脉冲所产生的数据被叠加后存储在作为频道数和时间的函数的数据集合中。
一个与上述接收器和原始数据叠加单元耦合的数据处理单元；该数据处理单元使用上述经改变的声音脉冲构造图形数据，从该数据处理单元输出的数据被耦合到一个图像显示单元中。
35、如权利要求34中的系统，其特征是，该信号发射单元包含一个功率放大器、一个发射/接收开关和一个换能器。
36、如权利要求35中的系统，其特征是，该系统还带有一个数字延迟电路。
37、如权利要求35中的系统，其特征是，该系统还带有一个模拟延迟电路。
38、如权利要求35中的系统，其特征是，该系统还带有一个频道增益电路。
39、如权利要求34中的系统，其特征是，该接收器和原始数据叠加器单元包括一个换能器、一个发射/接收开关、一个模拟/数字(A/D)转换器和一个叠加器。
40、如权利要求39中的系统，其特征是，该接收器和原始数据叠加器单元还带有一个功率放大器、一个带通滤波器和一个基带滤波器。
41、如权利要求39中的系统，其特征是，该接收器和原始数据叠加器单元还带有一个同相和积分混频器。
42、如权利要求34中的系统，其特征是，该信号发生器单元和接收器/原始数据叠加器单元共用一个换能器。
43、如权利要求34中的系统，其特征是，该数据处理单元包括一个同相和积分混频器、一个数字信号处理器、一个声音图像数据缓存器和一个扫描转换器。
44、如权利要求34中的系统，其特征是，该数据处理单元包括一个同相和积分混频器、一个特定用途集成电路(ASIC)、一个声音图像数据缓存区和一个扫描转换器。
45、一种用于实现超声成像的方法，其特征是，包括：
产生至少两种失相脉冲；
把上述至少两种失相脉冲转化为至少两种失相声音脉冲；
把上述至少两种失相声音脉冲射入到研究媒质中；
接收从上述研究媒质中返回的至少两种被改变的声音脉冲；
对从上述研究媒质中返回的至少两种声音脉冲(为频道数和时间的函数)进行叠加处理；
从上述至少两种返回的声音脉冲构造图像数据，并且把图像数据显示在一个图像显示单元上。
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