CN1708698A - 用于自动设置超声换能器阵列的发射孔径和旁瓣缩减的方法和设备 - Google Patents

Abstract

用于设置超声成像系统中的焦点的处理过程包括接收由用户输入的感兴趣的点和感兴趣的范围。该系统的系统控制器在感兴趣的点上设置聚焦区域，以及针对感兴趣的范围调节孔径和旁瓣缩减。如果感兴趣的范围不能被一个聚焦区域覆盖，则加上另外的聚焦区域。

Description

用于自动设置超声换能器阵列的发射孔径 和旁瓣缩减的方法和设备

本发明涉及用于自动设置超声换能器阵列的发射孔径和发射旁瓣缩减(apodization)的方法。

超声成像系统使用具有高于可听范围的频率的声波，一般包括超过15-20kHz的频率的声波。这些系统基于在声纳和雷达中使用的脉冲回波原理工作。通常，向目标发射超声脉冲，以及所发射脉冲的回波从目标反弹回来。接收的回波被用来确定目标的图像。

超声换能器的工作有多种模式。基本模式是A模式、B模式、M模式、或2D模式。A模式是幅度模式，其中信号被显示为取决于返回的声音能量的幅度的尖脉冲。B模式是亮度模式，其中信号被显示为其亮度取决于返回的声音能量的幅度的不同点。M模式是运动模式，其中应用B模式，以及诸如条形图记录器那样的记录器允许显示作为深度和时间函数的结构。2D模式是二维成像模式，其中通过波束扫描在空间上应用B模式，以使结构被看作为深度和宽度的函数。

超声成像系统可被使用来利用上述的各种不同的成像模态观察病人的内部器官、组织和血管。例如，B模式扫描可被使用来通过以灰度等级描绘组织而使得组织成像，其中区域的亮度是从相应的组织区域返回的超声的强度的函数。另外，多普勒扫描可被使用来显示诸如流过动脉或静脉的血液那样的、运动的声音反射体的速度。

超声诊断成像系统10显示于图1中。超声成像系统10包括具有换能器面的扫描头20，被放置成与包含感兴趣的组织、器官或血管的目标区域相接触。超声脉冲的图像可以聚焦在预先选择的深度。有两种不同的相关类型的聚焦：发射聚焦和接收聚焦。正如下面说明的，扫描头20包括换能器单元24的阵列，每个换能器单元把发射信号变换成超声波束分量，以及把超声反射变换成各个接收信号。这些信号通过电缆26被耦合在扫描头20与成像单元30之间。成像单元30被显示为安装在小车34上。成像系统还包括控制面板38，用于允许用户与系统10连接。具有观看屏44的监视器40被放置在成像单元30的上表面上。

在工作期间，扫描头20中的换能器单元24合在一起地发射超声能的波束50，如图2所示。典型地为1-20MHz的频率的各个电信号被加到全部或某些换能器单元24上。其上加上电信号的换能器单元24的数目决定发射孔径的尺寸。孔径的尺寸影响成像场的尺寸和分辨率，正如下面描述的。实际上，加到换能器单元24上的电信号的相位被这样调节，使得波束50聚焦在焦点位置52。焦点位置52在换能器表面之下的深度由加到换能器单元24上的电信号的相位的差值大小控制。相应于焦点位置52的有效长度的焦距(或景深)由发射孔径的尺寸和增益确定，即，由被使用来形成波束50的换能器单元24的数目确定。焦距应当理想地放置在感兴趣的最大量的特征所处的地方，以使得这些特征将在可最好地达到的焦点处。焦点位置52在图2上被显示为比起实际上在使用于人体组织时典型的情形“尖锐”得多。来自各个换能器单元24的超声被绕射，以致焦点位置52的有效长度实际上更多是波束被变窄的区域，而不是波束收敛到一个点的位置。另外，通常的实际情形是沿单个线发射多个焦点位置，以扩展波束被变窄的这个区域。

如前所述，换能器单元也被使用来接收超声反射和生成相应的电信号。如图3所示，接收信号的相位和增益也被调节成有效地产生接收波束56，它被聚焦到相应于从换能器单元24耦合的信号之间的相位差的焦点位置58。(为了简明起见，在图3上仅显示了两个换能器单元24的波束分量，虽然应理解，存在有所有有效的换能器单元的波束分量。)也可以通过调节从换能器单元24耦合的信号之间的相位差而”操控”接收波束，即，偏离垂直于换能器表面的轴。实际上，这些信号之间的相位差是作为来自每个超声传输的延时的函数被调节的，以使焦点位置58随着深度从反射超声的相对较深的位置60变化到相对较浅的位置62而动态地改变。如下面描述的，本发明涉及对发射波束50的焦点位置52的定位，而不是对接收波束56的焦点位置58的定位。

本发明的目的是提供用于响应于规定感兴趣的范围的用户输入通过自动确定每个聚焦区域的深度范围和发射旁瓣缩减来自适应地控制超声换能器阵列的聚焦区域的设备和方法。

按照本发明，超声系统允许用户通过输入感兴趣的点和感兴趣的范围来控制换能器阵列的聚焦区域。在第一实施例中，系统包括针对感兴趣的点的第一输入参数、针对感兴趣的范围的上限的第二输入参数和针对感兴趣的范围的下限的第三输入参数。第二实施例假设感兴趣的点总是在感兴趣的范围的中心，以及包括感兴趣的控制范围和感兴趣的控制点。在该第二实施例中，感兴趣的控制范围规定总的范围(即，在范围的上限与下限之间的距离)。系统接收这些控制参数以及确定波束形成器所需要的实际的聚焦区域，以实现想要的控制。例如，一种算法可被使用来响应于感兴趣的范围选择实际的聚焦区域。所选择的实际聚焦区域可选择性地显示给用户。而且，用户也可以改变所选择的聚焦区域。

在更详细的实施例中，其它的用户偏好、诸如想要的图像质量和/或帧速率可被使用来确定要被使用来满足感兴趣的范围的区域的数目(即，区域间隔)和发射孔径的尺寸(它确定单个区域的景深)。

从结合附图考虑的以下的详细说明将明白本发明的其它目的和特征。然而，应理解，附图仅仅被设计用于说明的目的，而不是作为对本发明的范围的定义，本发明的范围应当参照所附的权利要求。还应当理解，附图不必按比例画出，以及除非指出，它们仅仅用于在概念上说明这里描述的结构和过程。

在附图中，其中相似的附图标记在几个图中表示类似的单元：

图1是超声诊断成像系统的立体图；

图2是显示发射波束的、图1的系统的超声扫描头的示意图；

图3是显示接收波束的、图1的系统的超声扫描头的示意图；

图4是可被使用于图1的系统的、按照本发明的成像单元的实施例的方框图；

图5是显示可在图4的成像单元中使用的、聚焦控制的步骤的流程图；

图6是显示用于设置附加参数的可任选的步骤的部分流程图；以及

图7a-7c分别显示本发明的换能器阵列的旁瓣缩减曲线。

图1显示按照本发明的超声成像系统10的一个实施例。系统10与现有技术的主要不同之处在于，系统10的成像单元30是不同的。在按照本发明的成像单元30中使用的部件可参照图4进行说明。

按照本发明的成像单元30包括获取子系统200，它包括通过电缆26被耦合到扫描头20的波束成形器204。来自扫描头20的换能器单元24的电信号被加到波束成形器204上，它把相应于获取的每个扫描线的回波的信号处理成波束。如上所述，波束成形器204把电信号加到扫描头20中的换能器单元26上，以使得扫描头发射超声能量束。波束成形器204控制加到扫描头20的换能器单元24上的信号的相应延时，以使发射波束聚焦到特定的深度。焦点位置的定位由从系统控制器228通过控制线210施加的控制数据进行控制。

来自波束成形器204的接收信号被加到包括传统的处理器224和传统的扫描变换器226的信号和图像处理子系统220上。信号处理器接收来自波束成形器的信号以生成相应于图像的图像数据。系统控制器228可以把适当的控制数据通过控制线210加到波束成形器204上，以控制焦点位置的定位。系统控制器228也可以把另外的数据、诸如控制发射和接收孔径的尺寸的数据耦合到波束成形器204上。来自信号处理器的图像数据然后被加到扫描变换器226上，它把图像数据安排到想要的图像格式的各个超声图像帧数据中。

来自信号和图像处理子系统220的图像帧数据然后被传送到包括视频处理器232和监视器40的显示子系统230。视频处理器232把来自扫描变换器226的图像帧数据变换成适当的视频信号，诸如国家电视系统委员会(NTSC)或超级视频图形适配器(SVGA)视频信号，以供监视器40使用。

参照图5，用于控制成像单元106中的聚焦操作的方法在系统100的用户利用控制面板38输入想要的感兴趣的点和感兴趣的范围时开始步骤500。感兴趣的点可以由在垂直于换能器阵列的中心的方向上的距离规定。感兴趣的范围可被规定为沿垂直于换能器阵列的中心的线覆盖感兴趣的景深的长度或距离。感兴趣的点或感兴趣的范围的输入可以以多种方式完成。用户例如可以针对感兴趣的点输入一个数值，针对感兴趣的范围的上限输入另一个数值，以及针对感兴趣的范围的下限输入第三数值。替换地，用户可以这样输入感兴趣的点和感兴趣的范围，使得系统控制器228假设感兴趣的点处在感兴趣的范围的中心。在一个特定的实施例中，控制面板可包括开关，该开关可被按压以便在焦点位置控制和聚焦范围控制之间切换。旋转调节装置来调节这两个参数中所选择的一个参数的数值。

在接收到数据后，系统控制器228确定要使用的实际的发射聚焦区域的最佳组。为了作出这个决定，在步骤520，系统控制器228首先为换能器的孔径组的每个可达到的聚焦区域指定景深。每个孔径组是一组共享某些特性、诸如所支持的扫描线数目、发射旁瓣缩减和聚焦深度与孔径尺寸的比值等的聚焦区域。换能器的各种不同的可得到的孔径组在波束成形器204中被规定。各种不同的可用孔径组也可被规定为被保存在存储器中的特定的孔径组，或被规定为被用来形成用于特殊用途的空闲孔径组的说明。系统控制器228然后通过堆叠聚焦区域的景深和比较用户选择的聚焦范围来确定需要多少顺序的聚焦区域来覆盖用户选择的聚焦范围，步骤530。如果一个以上的孔径组是可提供使用的，则针对多个发射孔径组的每个发射孔径组执行步骤520和530。

系统控制器228然后例如根据图像质量(更大孔径和更多的发射区域)和/或帧速率(更小孔径和更少的发射区域)的考虑，选择发射孔径设计，步骤540(下面更详细地讨论发射孔径设计的选择)。作为缺省设置，系统控制器228选择最高可达到的图像质量。

系统控制器228然后确定旁瓣缩减是否适合于所选择的聚焦区域的景深，步骤550，以及如果需要，则调节旁瓣缩减，步骤555。旁瓣缩减是对换能器阵列24的不同单元的驱动信号的加权。更具体地，旁瓣缩减是驱动信号的加权，以使得超声发射信号的幅度从换能器阵列的中心到边缘逐渐降低。幅度的这种变化显示于图7a中。旁瓣缩减可减小由不是沿波束方向的目标所产生的噪声。然而，它也减小横向分辨率，即，区分在横向上紧密地相间隔的目标的能力。旁瓣缩减也改变聚焦的景深。聚焦的景深的变化的程度可被调节为适合系统的具体的需要。深度短的聚焦区域可以用如图7c所示的弱旁瓣缩减曲线被尖锐地聚焦，而深度较长的聚焦区域可以用如图7b所示的较强的旁瓣缩减曲线较缓和地聚焦在很大的深度上。

用户可以输入另外的数据、诸如偏爱的图像质量和/或帧速率到控制面板。按照这个可任选的实施例，系统控制器228在步骤530中在选择发射孔径设计时必须考虑图像质量和帧速率参数。图像质量是横向分辨率的函数，横向分辨率本身由波束宽度决定-波束越窄，横向分辨率越好。横向波束宽度由以下公式确定：

横向波束宽度＝(深度·波长)/孔径尺寸

其中深度是从阵列到聚焦区域的距离，波长是超声信号的波长，以及孔径尺寸是换能器阵列的孔径的宽度。按照该公式，增加孔径将减小波束宽度，并因此提高图像质量。然而，改变孔径尺寸也影响聚焦区域的景深-孔径越大，聚焦区域的景深越小。

帧速率涉及为得到在感兴趣的范围中的图像或某些其它规定的参考帧所需要的时间。每个聚焦区域需要分开的超声发射波束和接收波束。所以，随着聚焦区域的数目增加，图像的帧速率慢慢下降，因为每个图像帧所需要的数据量增加。

在以下的说明性例子中，换能器可获得两个孔径组。孔径组1包括8个聚焦区域，每个聚焦区域具有用于80mm的整个景深的10mm景深。孔径组2包括16个聚焦区域，每个聚焦区域具有用于覆盖相同的80mm的整个景深的5mm景深。而且，在本例中的感兴趣的范围是25mm。因此，为了覆盖感兴趣的范围，孔径组1需要3个聚焦区域，而孔径组2需要5个聚焦区域。用于确定使用聚焦区域的哪个孔径组的算法首先选择具有最高图像质量的孔径组，即，孔径组2。如果帧速率并不是所关心的，则该算法将自动选择孔径组2，以及该算法完成。然而，如果用户已输入想要的帧速率值或对高的帧速率的偏好(例如，通过设置对高的图像质量、高的帧速率、或它们的折衷的偏好的单独的用户控制)，或系统具有帧速率限制，则该算法确定覆盖感兴趣的范围所需要的组2的5个聚焦区域是否满足帧速率限制。如果不满足，则使用只需要3个聚焦区域的孔径组1。

代替使用用户规定的帧速率参数和图像质量参数的数值，聚焦过程可以使用缺省值。而且，代替检验这两个参数，聚焦过程可以只使用帧速率或图像质量参数。

图6显示另外的可任选的步骤，这些步骤可以通过步骤555被执行。帧速率和图像质量参数可被使用于确定影响图像质量和时间分辨率(帧速率)的其它参数，步骤810，诸如发射线密度，接收线密度，RF插入，脉冲重复频率，合成孔径等等。

而且，在步骤830中，用户选择的感兴趣的点和感兴趣的范围还可被使用来设置其它参数，诸如缺省HD缩放框位置与尺寸以及缺省彩色框位置与尺寸。

因此，虽然在应用到本发明的优选实施例时已显示和描述以及指出本发明的基本的新颖特征，但应理解，本领域技术人员在不背离本发明的精神的条件下可以在所显示的装置的形式和细节以及其操作方面作出各种省略和替换与改变。例如，明显地以基本上相同的方式执行基本上相同的功能以达到相同的结果的那些单元和/或方法步骤的所有组合都包括在本发明范围内。而且，应当认识到，结合本发明的任何公开的形式或实施例显示和/或描述的结构和/或单元和/或方法步骤可以在任何其它公开的或描述的或建议的形式或实施例中被引用作为设计选择的总的根据。所以，本发明仅仅限于由这里所附的权利要求的范围表示的内容。

Claims (29)

1.用于控制超声成像系统的扫描头中的换能器阵列的发射波束的焦点的处理过程，该超声成像系统还包括波束成形器、信号处理器、显示器、和系统控制器，其中系统控制器被连接到扫描头、波束成形器、信号处理器、和显示器中的每一个上，所述处理过程包括以下步骤：

由系统控制器接收用户输入，该用户输入包括感兴趣的点并且规定在该感兴趣的点以上和以下的感兴趣的范围，该感兴趣的点被规定为到换能器阵列的中心的垂直距离；以及

由该系统控制器从被该波束成形器允许的聚焦区域的至少一个孔径组中，选择用于对用户输入的感兴趣的点和感兴趣的范围进行超声成像的换能器阵列的发射波束的聚焦区域。

2.权利要求1的处理过程，还包括调节换能器阵列的旁瓣缩减，以便得到每一个所选择的聚焦区域的想要的聚焦场的步骤。

3.权利要求1的处理过程，其中所述接收用户输入的步骤包括接收代表感兴趣的点和感兴趣的范围的距离值，以及所述处理过程还包括使所述感兴趣的范围以所述感兴趣的点为中心。

4.权利要求1的处理过程，其中所述接收用户输入的步骤包括接收感兴趣的范围的上限和感兴趣的范围的下限，其每一个包括到换能器阵列的中心的垂直距离。

5.权利要求1的处理过程，其中所述接收步骤还包括接收一个最小图像质量参数，以及所述处理过程还包括由系统控制器确定每个所选择的聚焦区域的图像质量是否超过最小图像质量参数的步骤。

6.权利要求5的处理过程，其中所述接收步骤还包括接收一个帧速率参数，以及所述处理过程还包括由系统控制器确定所选择的聚焦区域是否符合帧速率参数的步骤。

7.权利要求1的处理过程，其中所述接收步骤还包括接收一个帧速率参数，以及所述处理过程还包括由系统控制器确定所选择的聚焦区域是否符合帧速率参数的步骤。

8.权利要求1的处理过程，还包括由系统控制器根据感兴趣的点的定位确定所选择的聚焦区域在感兴趣的范围中的位置的步骤。

9.权利要求1的处理过程，其中波束形成器包括用于扫描头和换能器阵列的聚焦区域的多个孔径组，以及所述选择聚焦区域的步骤包括选择聚焦区域的一个孔径组。

10.权利要求9的处理过程，其中接收步骤还包括接收用户对想要的图像质量的偏好，以及所述处理过程还包括根据想要的图像质量选择用于感兴趣的点和感兴趣的范围的一个孔径组的步骤。

11.权利要求10的处理过程，其中接收步骤还包括接收用户对想要的帧速率的偏好，以及所述处理过程还包括根据想要的图像质量和想要的帧速率选择用于感兴趣的点和感兴趣的范围的一个孔径组的步骤。

12.权利要求9的处理过程，其中接收步骤还包括接收用户对想要的帧速率的偏好，以及所述处理过程还包括根据想要的帧速率选择用于感兴趣的点和感兴趣的范围的一个孔径组的步骤。

13.权利要求11的处理过程，还包括由系统控制器响应于想要的帧速率和想要的图像质量中的至少一项而设置发射线密度、接收线密度、RF插入、脉冲重复频率、和合成孔径中的至少一项的步骤。

14.权利要求1的处理过程，还包括由系统控制器响应于感兴趣的范围和感兴趣的点设置缺省HD缩放框和彩色框之一的尺寸和位置的步骤。

15.超声成像系统，包括：

包括扫描头和用来产生用于超声成像的发射波束的换能器阵列的成像单元；

输入装置；

显示器；

包括聚焦区域的至少一个孔径组的波束成形器；

信号处理器；

系统控制器，用于接收由用户通过所述输入装置输入的数据，所述数据包括感兴趣的点并且规定在该感兴趣的点以上和以下的感兴趣的范围，该感兴趣的点被规定为到换能器阵列的中心的垂直距离；所述系统控制器被连接到所述成像单元、所述显示器、所述信号处理器、和所述波束成形器中的每一个上，所述系统包括一个装置，该装置用于从所述波束形成器的聚焦区域的至少一个孔径组中，选择用于对用户规定的感兴趣的点和感兴趣的范围进行超声成像的所述换能器阵列的发射波束的聚焦区域。

16.权利要求15的系统，所述系统控制器和波束成形器还包括用于调节所述换能器阵列的旁瓣缩减的装置。

17.权利要求15的系统，其中所述系统控制器接收用户规定的感兴趣的点和以所述感兴趣的点为中心的感兴趣的范围。

18.权利要求17的系统，其中所述系统控制器包括控制开关，用于在感兴趣的控制范围与聚焦控制点之间切换，以及输入装置，用于由用户输入感兴趣的控制范围和感兴趣的控制点中所选择的一个的希望值。

19.权利要求15的系统，其中所述系统控制器包括用于接收感兴趣的点、感兴趣的范围的上限和感兴趣的范围的下限的装置，每一项通过到换能器阵列的垂直距离来定义。

20.权利要求15的系统，其中所述系统控制器还包括用于接收最小图像质量参数的装置，以及用于确定每个所选择的聚焦区域的图像质量是否超过最小图像质量参数的装置。

21.权利要求20的系统，其中所述系统控制器还包括用于接收帧速率参数的装置，和用于确定所选择的聚焦区域是否符合该帧速率参数的装置。

22.权利要求15的系统，其中所述系统控制器还包括用于接收帧速率参数的装置，和所述系统控制器还包括用于确定所选择的聚焦区域是否符合该帧速率参数的装置。

23.权利要求15的系统，其中所述系统控制器还包括用于根据感兴趣的点的定位把所选择的聚焦区域定位在感兴趣的范围中的装置。

24.权利要求15的系统，其中所述用于确定聚焦区域的装置包括用于设置聚焦区域的每个可用孔径组的景深的装置，用于针对聚焦区域的每个孔径组确定为覆盖由用户输入数据规定的感兴趣的范围所需要的聚焦区域的数目的装置，以及用于从一个孔径组中选择所需要的聚焦区域的装置。

25.权利要求24的系统，其中由所述控制器接收的用户输入数据还包括用户对想要的图像质量的偏好，以及所述系统控制器还包括用于根据该想要的图像质量选择用于感兴趣的点和感兴趣的范围的一个可用孔径组的装置。

26.权利要求25的系统，其中由所述系统控制器接收的用户输入数据还包括用户对想要的帧速率的偏好，以及所述系统控制器还包括用于根据想要的图像质量和想要的帧速率选择用于感兴趣的点和感兴趣的范围的一个可用孔径组的装置。

27.权利要求24的系统，其中在接收步骤期间由所述系统控制器接收的用户输入数据还包括用户对想要的帧速率的偏好，以及系统控制器还包括用于根据想要的帧速率选择用于感兴趣的点和感兴趣的范围的一个可用孔径组的装置。

28.权利要求27的系统，所述系统控制器还包括用于响应于想要的帧速率和想要的图像质量中的至少一项设置发射线密度、接收线密度、RF插入、脉冲重复频率、和合成孔径中的至少一项的装置。

29.权利要求15的系统，其中所述系统控制器还包括用于响应于感兴趣的范围和感兴趣的点设置缺省HD缩放框和彩色框之一的尺寸和位置的装置。

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