CN1882849A - 具有图像帧速和/或平均回波样本数量的自适应选择的超声成像系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种超声诊断成像系统和方法，其中通过响应各自的超声发射接收超声回波信号，采样回波信号，然后在超声发射的数量上平均样本，从而产生超声图像帧。在一个实施例中，所述系统允许由用户直接设置最小图像帧速或间接地根据正被成像的生理结构的运动速度设置最小图像帧速。所述结构的运动速度由用户估计或者由该系统确定。

Description

具有图像帧速和/或平均回波样本数量的 自适应选择的超声成像系统和方法

本发明涉及超声诊断成像系统，尤其涉及能够采集带有可调整信号平均参数和帧速的超声回波信号的超声诊断成像系统。

超声诊断成像系统广泛地供心脏病专家，产科医生，放射科医师和其他人员使用，用于检查心脏，胎儿形成，腹内器官和其它解剖结构。这些系统通过使用超声换能器将超声能量波发射到体内，接收从所述波撞击在其上的组织界面反射的超声回波，和将接收回波转换成相应的回波信号来进行工作。由换能器产生的回波信号然后进行波束形成以将发射和接收的超声聚焦成波束，所述波束可以沿方位角方向和/或仰角方向被引导。在对接收的回波信号进行波束形成之后，它们被处理以提供扫描线，所述扫描线指示位于换能器面之下的生理结构。大量扫描线被组合以产生图像帧，生理结构的图像可以从所述图像帧产生。

产生图像帧所需的时间取决于发射和接收形成图像帧所需数量的扫描线的超声所需的时间，以及波束形成和处理接收的超声回波信号以形成图像帧所需的时间。在很大程度上，采集和产生图像帧所需的最小时间由超声通过身体到达正被成像的生理结构的往返通行时间确定。产生更深结构的超声图像需要超声传播更大的往返距离。因此，当成像更深的结构时，图像帧可以被产生的速度，即通常所说的“帧速”将更低。

尽管理想的是能够用快速的帧速进行成像，尤其当对移动结构进行成像时，但是在一些步骤中还希望的是：能够穿透到或清楚地成像在相当大深度的结构。但是穿透的深度会受到许多因素限制，例如发射或接收的超声频率，其随着通过组织而衰减。超声系统的动态范围也可能提供在相当大深度成像的阻碍，并且靶结构对超声的衰减也可能限制穿透。

提高来自相当大深度的图像的清晰度，但是以损失超声帧速为代价的一种方式是通过平均来自多次超声发射的回波信号产生扫描线。信号平均是可以最小化信号噪声的影响的技术。该技术包括快速获得相同信号的多个样本，每个样本被认为是无噪声时的信号真实值的估计值。然后，这些样本被平均以提高信噪比。在超声成像中，信号平均具有的好处在于增加生理结构可以成像的深度。更具体而言，对于完全随机噪声和完全相关信号(即在样本之间不发生变化的信号)，信噪比将随着N的平方根而提高，其中N是信号的样本数量。对于超声成像，可以使用以下方程来计算可以实现成像时的深度的增量

$\mathrm{\ΔD}:=\frac{20\log 10\left(\sqrt{N}\right)}{F_C\mathrm{\μ}}$

其中：N是被平均的样本数量

F_C是成像频率(MHz)

μ是往返衰减(dB/cm/MHz)

对于在往返衰减为0.6dB/cm/MHz(其大约为软组织的平均值)的介质中以大约3MHz工作的超声换能器，在四次超声发射上平均超声回波信号会提供大约3cm以上的附加成像深度。然而，每个图像帧需要四次超声发射也会把帧速减小四倍。结果，所有超声成像系统的工作导致成像深度和帧速之间的折衷。

成像深度和帧速之间的权衡通常由超声系统响应超声检查工作者对不同成像参数所作出的选择确定。例如，超声检查工作者可以选择想要的探头频率，谐频或基频操作，以及聚焦区的深度和数量，和其它参数。这些选择然后导致确定帧速或样本数量，所述样本数量可以被平均以用于提高噪声性能。然而，用户通常不知道最大帧速或样本数量如何确切地受到他或她选择这些参数的影响。结果，常常难以达到能够穿透到特定深度的理想帧速和样本平均。有时也难以选择将允许帧速足够用于移动结构进行成像的各种参数。

上述不确定性使得超声检查工作者难以最佳地选择帧速或要平均的样本数量。如果超声检查工作者需要成像深层生理结构并且因此会要大量待平均的样本，超声检查工作者可能就不知道所述选择可能对观察这样结构的移动产生不利影响的程度。类似地，如果超声检查工作者需要对快速移动的生理结构进行成像并且因此作出导致高帧速的选择，那么，超声检查工作者在结构比较深的情况下可能会不知道那些选择可能对这样的结构进行清晰成像的能力产生不利影响的程度。

所以需要一种超声成像系统和方法，其允许更容易地和更优化地选择样本数量，所述样本数量在显示器的可接受帧速的限制内可以被平均以提高在更深深度的图像清晰度。

本发明是一种通过重复地将超声发射到感兴趣区域和接收每次发射产生的超声回波信号而产生超声图像的系统和方法。所述超声回波信号被采样以提供回波信号样本，并且通过在多次超声发射上平均相应的回波信号样本产生超声图像帧。所述图像帧然后用于产生被显示超声图像。

在某个帧速下产生图像帧，所述帧速是回波信号样本在其上被平均的发射数量的函数。在更大数量的超声发射上平均回波信号样本需要更多的时间，所以减小了帧速。根据本发明，使用最小帧速准则和计算回波信号样本可以在其上被平均以获得所述帧速的发射数量而确定图像帧速和样本平均数量。所述最小帧速可以由用户直接输入，或者可以基于正在进行的超声检查的类型或者被成像生理结构正在移动或期望移动的速度来确定。

图1是根据本发明的一个实施例的超声成像系统的框图。

根据本发明的超声诊断成像系统8的一个实施例在图1中示出。然而，将会理解其它成像系统可以用于代替图1中所示的成像系统8，这对于本领域的技术人员来说将是显而易见的。因此，附图和详细描述应当被看作在性质上是示例性的而不是限定性的。

成像系统8包括具有阵列换能器12的扫描探头10，所述阵列换能器在由虚线矩形和平行四边形表示的像场上在不同的角度发射超声波束。在图中指示了三组扫描线，标记为A，B和C，每组在相对于扫描探头10的不同角度被引导。

波束的发射受到发射器14控制，所述发射器控制阵列换能器12的每个元件的定相和激励时间，从而沿着所述阵列从预定起点和在预定角度发射每个波束。沿每个扫描线返回的回波由阵列换能器12的单个元件(未示出)接收并且与数字波束形成器16相耦合。波束形成器16重复采样每个信号，并且使用波束形成器16中传统的模拟-数字转换器将每个样本转换为数字化样本。数字波束形成器16数字化地处理所述样本以有效地对来自阵列换能器12中的元件的回波进行延迟和求和，从而沿每条扫描线形成聚焦的、相干的数字回波样本的序列。

发射器14和波束形成器16在系统控制器18的控制下工作，所述系统控制器又响应超声系统的用户在用户界面20上所进行的控制的设置。用户界面20也允许用户输入可以容许的最小帧速，应当被平均的样本的最小数量，成像深度，图像移动的速度，和/或正在进行的检查的类型，其可以用于确定其中一个前述参数的值。系统控制器18控制发射器14在期望的角度发射期望数量的扫描线组，发射能量和频率。对于使用的孔和图像深度，系统控制器18也控制数字波束形成器16正确地延迟和组合接收的回波信号。

扫描线回波信号样本由可编程数字滤波器22滤波，所述滤波器限定感兴趣的频带。当成像谐波造影剂或执行组织谐波成像时，滤波器22的通带被设置成使发射带的谐波通过。经过滤波后的信号然后由检测器24检测。在优选的实施例中，滤波器22和检测器24包括多个滤波器和检测器，因此使所接收的信号可以被分为多个通带，可以被单独检测并且重新组合以减小频率混合产生的像斑。对于B模式成像，检测器24将执行回波信号包络的幅度检测。对于多普勒成像，回波系综在图像中的每一点被集合并且经多普勒处理以估计多普勒频移或多普勒功率密度。

数字回波信号然后在处理器30中被处理。如果使用空间混合，处理器也执行空间混合处理。数字回波信号初始由前处理器32预处理。如果需要，前处理器32可以用权重因数预加权信号样本。可以用这样的权重因数预加权样本，所述权重因数是用于形成特定混合图像的图像帧的数量的函数。前处理器32也可以加权位于一个重叠图像的边缘的边缘线，从而平滑被混合的样本或图像的数量发生变化的过渡。然后，预处理的信号样本可以在重采样器34中经历重采样。重采样器34可以在空间上使一个分量帧的估计值与另一分量帧的估计值或与显示空间的像素重新对准。

在重采样之后，图像帧可以由组合器36混合。组合可以包括求和，平均，峰值检测，或其它组合手段。正被组合的样本也可以在该过程的此步骤中的组合之前被加权。最后，由后处理器38执行后处理。该后处理器将组合值标准化为值的显示范围。后处理最容易地可以用查找表来实现，并且同时可以执行混合值的范围到适合于显示混合图像的值的范围的压缩和映射。

扫描转换随后由扫描转换器40执行。混合图像可以以估计值或显示像素形式被存储在电影回放(Cineloop)存储器42中。如果以估计值形式被存储，当从电影回放存储器重放映时图像可以被扫描转换，以供显示。扫描转换器40和电影回放存储器42也可以用于绘制图像的三维表示，如美国专利号5,485,842和5,860,924中所描述的，或者通过在侧向维度上重叠相继采集的、部分重叠的图像绘制扩展视野的显示。在扫描转换之后，图像被处理以供视频处理器44进行显示并且被显示在图像显示器50上。

根据本发明的一个方面，系统控制器18也基于通过用户界面20输入的值控制成像系统8，所述值是关于可以容许的最小帧速或者应当被平均的样本的最小数量。作为另一选择，用户可以通过用户界面20输入信息，所述信息允许系统控制器18确定帧速或者应当被平均的样本数量。例如，用户可以输入关于深度的值，所述深度是成像将被执行的深度，所述值会允许系统控制器18确定适合于将被平均的样本数量的值。类似地，用户可以输入关于速度的值，所述速度是基于正被成像的生理结构的类型期望组织运动的速度，所述值将允许系统控制器18确定适合于帧速的值。取代直接输入这些值，用户可以输入关于正在进行的检查的类型的信息，所述信息将允许系统控制器18确定图像帧速，待平均的样本数量，或者图像帧速和待平均的样本数量的组合。例如，用户可以指示将要进行心脏超声检查。系统控制器18然后将选择足够高的帧速以适应在心脏的运动，并且它将设置足够高的样本平均数以允许在心脏的深度采样。其它操作选择对于本领域的技术人员来说将是显而易见的。

在本发明的一个实施例中，由用户输入关于最小可接受的帧速FR_MIN的值，将被平均的脉冲数量N由以下公式计算：

N＝(没有平均样本时可获得的帧速)/FR_MIN

例如，如果为FR_MIN输入了10帧/秒的值，并且系统8可获得的帧速为90帧/秒，那么系统控制器18将使用以上公式计算N的值为9。因此，对于每个图像帧，系统8将从9次超声发射平均样本。在本发明的另一实施例中，取代输入关于最小可接受的帧速FR_MIN的值，用户可以输入关于期望成像组织运动的速度或待进行的检查的类型的信息，并且系统控制器18将基于所述信息计算最小可接受帧速FR_MIN。

前述例子假设帧大小和线密度不变。一个替代方法是改变帧特性以能够在更少的时间内采集帧。例如，初始帧可以是90°的扇形图像。将扇形宽度缩窄到更小的尺寸，例如30°，将减小扫描图像区域所需的时间。因此，所述系统可以减小扇形角以将帧速保持在最小值之上并且仍能够沿每个扫描线采集多个用于平均的样本以提高穿透。所述系统可以在初始扇区的顶上提供建议的更窄扇形宽度轮廓，使用户能够选择更窄的宽度，并且如果希望的话，还使用户能够定位更窄的扇区，使得它居中于感兴趣的解剖结构上。

在本发明的另一实施例中，用户可以输入关于待进行的检查的类型的信息，并且系统控制器18将确定帧速和待平均的样本数量之间的最佳权衡。例如，用户可以指示将进行心脏超声检查。系统控制器18然后将基于心脏的期望运动速度和心脏在皮肤之下的深度确定应当使用18帧/秒的帧速和应当平均5个样本。确定帧速和被平均的脉冲数量的其它手段对于本领域的技术人员来说是显而易见的。

在本发明的又一实施例中，由系统控制器18基于产生的超声图像的特性和获得它的方式，来优化帧速和样本平均数量。更具体而言，系统控制器18基于正被扫描的生理结构的深度选择理想的样本平均数量。然后超声图像被产生并且由处理器30分析以确定图像的部分在帧之间移动的速度。本领域技术人员公知的各种技术可以用于确定帧间运动。基于确定的帧间运动，处理器30或系统控制器18选择理想的帧速。然后，系统控制器18基于获得理想的帧速和理想的样本平均数量之间的权衡的折衷，来选择最终帧速和样本平均数量。如果需要，处理器30和系统控制器18可以若干次重复执行帧间图像检查，然后调整帧速和样本平均数量。因此所述超声成像系统和方法能够在需要最少用户输入或者完全不需要用户输入的情况下使其自身适应帧速和信号平均数量之间的最佳折衷。

从前文将会理解，尽管为了示例性目的在此描述了本发明的特定实施例，本领域的技术人员将会认识到可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改。因此，本发明除了由所附权利要求限定之外，并不受其它限制。

Claims (18)

1.一种产生超声图像的方法，包括：

重复地将超声发射到感兴趣区域中；

接收每次发射产生的超声回波信号；

采样超声回波信号以提供回波信号样本；

设置第一工作参数的最小值，所述第一工作参数是要产生图像帧时采用的帧速；

基于第一工作参数的最小值确定不同于第一工作参数的第二工作参数的值，所述第二工作参数是回波信号样本将在其上被平均以产生超声图像帧的发射数量；

使用第一工作参数的最小值和确定的第二工作参数的值产生超声图像帧；和

使用产生的超声图像帧显示超声图像。

2.根据权利要求1的方法，其中设置第一工作参数的最小值和确定第二工作参数的值的行动包括：设置超声帧速的最小值和基于超声帧速的最小值确定回波信号样本将在其上被平均以产生超声图像帧的发射数量。

3.根据权利要求2的方法，其中确定回波信号样本将在其上被平均以产生超声图像帧的发射数量的行动包括：基于公式N＝FR_MAX/FR_MIN确定回波信号样本将在其上被平均的发射数量，其中FR_MAX是未在多次发射上平均回波信号样本的情况下可以获得的最大帧速，FR_MIN是设定的超声帧速的最小值，N是回波信号样本将在其上被平均的确定的发射数量。

4.根据权利要求2的方法，其中设置超声帧速的最小值的行动包括：估计感兴趣区域中生理结构的运动速度，并且根据生理结构的运动的估计速度来设置超声帧速的最小值。

5.根据权利要求2的方法，其中设置超声帧速的最小值的行动包括：

产生多个超声图像帧；

分析所述超声图像帧以确定对应于被成像生理结构的运动的帧间变化；和

根据超声图像帧分析设置超声帧速的最小值。

6.根据权利要求2的方法，其中设置超声帧速的最小值的行动包括：提供关于将要进行的超声检查的类型的信息，并且根据将要进行的超声检查的类型设置超声帧速的最小值。

7.一种产生超声图像的方法，包括：

重复地将超声发射到感兴趣区域中；

接收每次发射产生的超声回波信号；

采样超声回波信号以提供回波信号样本；

使用将要产生超声图像帧时所采用的帧速的初值和回波信号样本将在其上被平均以产生超声图像帧的发射数量的初值，来产生多个超声图像帧；

分析所述超声图像帧或分析使用所述初值产生所述超声图像帧时所采用的方式；

基于所述分析，确定帧速的最终值和回波信号样本将在其上被平均以产生超声图像帧的发射数量的最终值；

使用帧速的最终值和回波信号样本将在其上被平均以产生超声图像帧的发射数量的最终值产生超声图像帧；和

使用产生的超声图像帧显示超声图像。

8.根据权利要求7的方法，其中分析所述超声图像帧或分析产生所述超声图像帧时所采用的方式的行动包括：分析使用所述初值产生的超声图像帧以确定对应于被成像生理结构的运动的帧间变化。

9.根据权利要求7的方法，其中分析所述超声图像帧或分析产生所述超声图像帧时所采用的方式的行动包括：确定感兴趣区域中的生理结构将被成像的深度。

10.根据权利要求7的方法，其中分析所述超声图像帧或产生所述超声图像帧时所采用的方式的行动包括：确定用于图像帧的更窄扇区。

11.一种超声诊断成像系统，包括：

超声扫描探头，其包括阵列换能器；

超声发射器，其耦合到扫描探头中的阵列换能器上以将发射信号施加到阵列换能器；

耦合到所述发射器的控制器，该控制器可操作地触发超声发射器以将发射信号重复地施加到阵列换能器，由此导致扫描探头中的阵列换能器将超声发射到感兴趣区域中，该控制器进一步接收第一工作参数的最小值，所述第一工作参数是要产生图像帧时采用的帧速，该控制器进一步基于第一工作参数的最小值确定不同于第一工作参数的第二工作参数的值，所述第二工作参数是回波信号样本将在其上被平均以产生超声图像帧的发射数量，或要产生图像帧时采用的帧速；

波束形成器，其耦合到所述控制器和扫描探头中的阵列换能器，用于接收每次发射产生的超声回波信号并且将接收的超声回波信号形成波束；

耦合到波束形成器的处理器，该处理器可操作地使用第一工作参数的最小值和确定的第二工作参数的值产生超声图像帧；和

耦合到所述处理器的显示器，所述处理器可操作地使用产生的超声图像帧显示超声图像。

12.根据权利要求11的超声诊断成像系统，进一步包括耦合到所述控制器的用户界面，该用户界面可操作地允许用户输入第一工作参数的最小值。

13.根据权利要求12的超声诊断成像系统，其中输入到用户界面中的第一工作参数的最小值包括超声帧速的最小值。

14.根据权利要求13的超声诊断成像系统，其中所述控制器可操作地基于公式N＝FR_MAX/FR_MIN确定回波信号样本将在其上被平均的发射数量的值N，其中FR_MAX是未在多次发射上平均回波信号样本的情况下可以获得的最大帧速，FR_MIN是设定的超声帧速的最小值。

15.根据权利要求11的超声诊断成像系统，进一步包括耦合到所述控制器的用户界面，该用户界面可操作地允许用户输入感兴趣区域中生理结构的运动速度的估计，其中所述控制器可操作地根据生理结构的估计运动速度设置超声帧速的最小值。

16.根据权利要求11的超声诊断成像系统，进一步包括耦合到所述控制器的用户界面，该用户界面可操作地允许用户输入关于将要进行的超声检查的类型的信息。

17.根据权利要求16的超声诊断成像系统，其中所述控制器可操作地根据将要进行的超声检查的类型设置超声帧速的最小值。

18.根据权利要求11的超声诊断成像系统，进一步包括耦合到所述控制器的用户界面，该用户界面可操作地允许用户输入感兴趣区域中的生理结构将被成像的深度的估计，其中所述控制器可操作地根据感兴趣区域中的生理结构将被成像的估计深度设置回波信号样本将在其上被平均的发射数量的最小值。