EA014167B1 - Способ построения изображения акустических свойств путем нелинейного низкочастотного управления свойствами высокочастотного рассеяния и распространения (варианты) и акустическое устройство для осуществления этого способа - Google Patents

Abstract

Представлены новый способ построения акустических изображений, который обеспечивает получение изображений со сниженным шумом реверберации; получение изображений параметров нелинейного рассеяния и распространения от объекта, а также способы определения коррекций для аберраций волнового фронта, вызванных пространственными изменениями акустической скорости распространения. Эти способы нашли применение в различных областях, таких как акустические изображения геологических структур, получение изображений подводных объектов с помощью гидролокации, а также получение медицинских ультразвуковых изображений. Способы основаны на обработке принятых сигналов от излученных групп акустических импульсов в двухполосном частотном диапазоне с перекрывающимися высокочастотными и низкочастотными импульсами. Высокочастотный импульс используется для реконструкции изображения, тогда как низкочастотный импульс используется для управления свойствами высокочастотного рассеяния и/или распространения высокочастотного импульса. Первый способ использует рассеянный сигнал от одиночной группы импульсов в двухполосном частотном диапазоне для фильтрации в области "быстрого времени" (времени глубины) для построения сигнала с подавленным шумом реверберации, с чувствительностью 1-й гармоники и улучшенной пространственной разрешимостью. В других способах излучают две или более групп импульсов в двухполосном частотном диапазоне, в которых частота, и/или фаза, и/или амплитуда низкочастотного импульса изменяется с каждой излученной группой импульсов. Путем фильтрации координаты номера импульса и корректировки задержек нелинейного распространения, а желательно также и амплитуд извлекают линейный обратно рассеянный сигнал, а также численные параметры нелинейного распространения и рассеяния. Подавленные сигналы реверберации в дальнейшем могут быть использованы для оценки коррекции аберрации волнового фронта, поскольку в них содержатся приблизительные оценки коррекции аберрации. Сигналы также могут быть использованы с широкими излучаемыми пучками для многочисленных параллельных принимаемых пучков для увеличения частоты кадров в 2D- и 3D-изображениях. Нелинейный сигнал полезен при построении изображений разницы в свойствах объекта, микрокальцификаций, в росте волокнистых тканей или пенных клеток или микропузырьков газа, которые наблюдаются при декомпрессии или которые вводят в качестве ультразвукового контрастного вещества. Способы также могут быть использованы для построения изображений в проходящих волнах для реконструкции изображений для томографии и дифракционной томографии путем генерации измеренных данных.

Description

Область изобретения

Изобретение относится к способам и системам для построения изображений от пространственных изменений акустических свойств объекта, в частности пузырьков газа и центров рассеяния высокой плотности в этом объекте. Способы находят применения в разных областях с самыми разнообразными объектами, например для построения ультразвуковых изображений биологических тканей и текучих сред, акустических изображений геологических структур и для гидролокационного определения объектов в воде.

Описание уровня техники

Получение акустических изображений используется в самых разных приложениях, таких как получение медицинских ультразвуковых изображений внутренних органов, гидролокационные изображения рыб, морских животных и других объектов в море; получение изображений геологических структур для разных целей, таких как изучение археологических раскопок и наблюдение за нефтяными скважинами. Для разных применений используют широкий диапазон частот излучаемого акустического импульса: от инфразвука для построения изображений некоторых геологических структур до ~100 МГц для построения ультразвуковых изображений некоторых биологических и микроскопических структур. Несмотря на большой выбор приложений и разброс частот, способы построения изображения очень похожи для всех приложений. В заявке на патент авторы в целом назвали эти способы построения изображения, как построение акустических изображений, хотя в большой части приложений, особенно в медицинских приложениях, используют неслышимые ультразвуковые частоты в диапазоне от ~20 кГц до ~100 МГц. Поскольку эти частоты для построения изображений, таких как медицинских изображений, лежат в ультразвуковой области, также будем использовать термин построение ультразвуковых изображений, хотя и не ограничивая способы только ультразвуковыми частотами и медицинскими приложениями.

Несмотря на широкое использование акустических изображений, изображения, получаемые в настоящее время, имеют шумовой фон, требуют значительных навыков для их интерпретации, а также дают ограниченную количественную информацию об объектах. Это создает проблемы для дифференциации структур объектов и количественной оценки свойств этих объектов. При получении гидроакустических изображений в воде из-за отражения от морского дна часто, например, трудно различать такие объекты, расположенные близко к морскому дну или непосредственно на морском дне, как рыбы или другие морские животные или мины. Также при получении геологических изображений может быть трудным определить состав материалов геологических структур. В медицинских приложениях может быть трудным отличить структуры типа опухолей или атеросклеротические ткани от здоровых тканей. Главные причины этого изложены ниже.

Пространственные изменения в линейных акустических свойствах объекта (плотность и коэффициент сжатия) являются физической основой построения акустических изображений. Однако из-за больших изменений акустических свойств в сложных структурах существуют следующие эффекты, которые ухудшают качество изображений:

ί) границы между материалами со значительно различающимися акустическими свойствами могут привести к настолько сильному отражению акустического импульса, что многократные отражения будут иметь большую амплитуду. Такие многократные отражения называются реверберацией импульса и вносят вклад в распространяющийся акустический импульс в виде хвоста, который в акустическом изображении проявляется в виде шума;

ίί) изменения в акустической скорости в сложных структурах объектов приводят к аберрации прямого распространения акустического волнового фронта, приводя к разрушению фокусировки основного максимума пучка и увеличению боковых максимумов пучка.

Уменьшенная фокусировка основного максимума пучка путем аберрации волнового фронта уменьшает пространственную разрешающую способность системы построения акустических изображений. И реверберации импульса, и увеличение боковых максимумов пучка путем аберрации волнового фронта вносят кумулятивный шум в изображение, что, в свою очередь, уменьшает отношение самого сильного центра рассеяния к самому слабому, которые могут быть распознаны рядом друг с другом, что и определяет так называемое контрастное разрешение изображения. Этот шум также называется акустическим шумом, поскольку он создан самим излучаемым акустическим импульсом. Увеличение мощности излучаемого импульса не приведет, таким образом, к увеличению отношения сигнал-шум этого типа в отличие от шума электронных приемников.

Например, в эхокардиографии шум от реверберации импульса может затенить изображения апикальной области сердца, создавая сложности нахождения апикального тромба и уменьшенного сжатия апикального миокарда. Еще, например, при построении изображения сонной артерии шум от реверберации может затенить нахождение и установление границ тромбоцида. Как и в этих примерах, шум от реверберации импульса ограничивает способности нахождения слабых объектов и дифференциацию небольших различий в контрасте изображений во всех аспектах построения акустических изображений.

Получение изображений на 2-й гармонике - способ, который направлен на снижение ухудшения качества изображения за счет реверберации импульса в структурах, расположенных вблизи источника акустических импульсов, как, например, стенка тела человека, поскольку содержание второй гармоники в импульсе нарастает с глубиной и, следовательно, очень низкое, когда импульс проходит сквозь структу

- 1 014167 ры, расположенные близко с источником, как стенка тела. Однако чувствительность изображений на 2-й гармонике меньше (примерно на 20 дБ), чем изображений на 1-й гармонике, что и ограничивает максимальную глубину изображений, особенно в плотных структурах, таких как геологические структуры, и в биологических объектах, таких как печень, почки, грудные железы, а также при построении изображений скорости потока крови. Для построения 30-изображений в реальном времени желателен широкий излученный пучок, который покрывается многочисленными параллельными принимаемыми пучками для увеличения объемной скорости изображения. Такие широкие излучаемые пучки на 2-й гармонике трудно получить из-за сниженной амплитуды первой гармоники в широком пучке, что создает трудности для построения изображений на 2-й гармонике с многочисленными параллельными принимаемыми пучками, используемыми для построения ЗО-изображений в реальном времени. Это особенно верно для разреженных акустических решеток, в которых ограничено количество элементов, создающих излучаемый пучок.

В медицинских приложениях поражения тканей, такие как опухоли и атеросклероз артериальной стенки, влияют на акустические параметры ткани, такие как модуль сдвига, коэффициент объемного сжатия и акустическое поглощение. Изменения этих свойств, главным образом, вызываются ростом пенных клеток, жира или волокнистых молекул соединительных тканей, а также благодаря сегрегации кальция в ткани. Рост соединительных тканей увеличивает акустическое поглощение и модуль сдвига, причем последний вызывает увеличенную жесткость к пальпации, что можно наблюдать путем прикосновения к ткани. Большая работа была проделана по оценке модуля сдвига путем использования объемных ультразвуковых волн для определения смещения волн сдвига в ткани, способами, часто называемыми эластографией, а также удаленной ультразвуковой пальпацией. Однако на сегодняшний день эти способы нашли ограниченное клиническое применение, и все еще существует необходимость улучшенной дифференциации таких изменений ткани под воздействием ультразвука.

На сегодняшний день в опухолях грудных желез сегрегированные микрокальцификации обнаруживают с помощью рентгеновской маммографии, которые являются индикаторами злокачественных опухолей. Эти микрокальцификации настолько малы, что отраженный от них ультразвуковой сигнал пропадает в сигнале от окружающей их ткани и они не могут быть обнаружены существующими способами построения ультразвуковых изображений. Таким образом, существует необходимость в улучшении способов построения ультразвуковых изображений, чтобы также можно было обнаруживать такие микрокальцификации. Микрокальцификации в атеросклеротичной бляшке также дают информацию о ее стабильности и здесь также необходимы улучшенные способы построения ультразвуковых изображений таких микрокальцификаций.

Некоторые заболевания также влияют на кровоснабжение ткани, например, через ангиогенез или некроз микрососудистой системы в злокачественных опухолях, или уменьшенного потока крови из-за сужения сосудов или тромбоза как в коронарных артериях сердца, так и в периферических сосудах. Скорость потока крови в микрососудистой системе и небольших сосудах так мала, что она не может быть определена с помощью обычных, неинвазивных ультразвуковых методов, основанных на эффекте Допплера. Для улучшения качества ультразвуковых изображений микрососудистой системы, а также для оценки кровоснабжения ткани были разработаны ультразвуковые контрастные вещества в форме растворов небольших микропузырьков (диаметром примерно 3 мкм). Эти микропузырьки вводят в кровяной поток, что приводит к сильно увеличенному и нелинейному рассеянию ультразвука от крови. Они, следовательно, сильно увеличивают нелинейное рассеяние от ткани, содержащей такие микропузырьки, причем в особых случаях в плотных тканях можно наблюдать отдельные микропузырьки, которые создают перспективу построения молекулярного ультразвукового изображения со специальными контрастными пузырьками в ткани. Такие микропузырьки могут обеспечить полезное усиление изображения при их введении в другие жидкости тела, например в межклеточную жидкость для наблюдения за выделением лимфы к сигнальным лимфоузлам, или в мочевыделительной системе для нацеленного присоединения пузырьков к опухолевым тканям, или в других местах. Во время декомпрессии в космосе или при погружении микропузырьки газа часто образуются в ткани спонтанно, вызывая кессонную болезнь, поэтому существует необходимость для раннего обнаружения таких пузырьков газа для улучшения профиля декомпрессии, чтобы избежать кессонной болезни персонала при выполнении таких работ, а также для наблюдения за образованием таких пузырьков, как предупреждение на ранней стадии во время таких работ.

Во время добычи нефти из нефтяных скважин часто бывает желательно наблюдать за изменениями в геологических структурах вокруг скважин, например за количеством нефти или газа в песчанике, за границами между нефтью, газом и водой, а также за структурными сдвигами вблизи скважины. Акустические свойства структур и, в частности, нелинейные компоненты акустических свойств зависят от количества газа, нефти или воды в пористой горной породе. Акустические изображения структур, окружающих нефтяную скважину, могут быть получены с помощью акустических преобразователей в нефтяной скважине. Использование способов построения акустических изображений, которые обеспечивают численные акустические данные от объекта, позволяет, следовательно, определять количество газа, нефти или воды в структурах, окружающих нефтяную скважину.

- 2 014167

При обнаружении рыбы, или морских животных, или других объектов, находящихся вблизи морского дна, часто бывает трудно различать между отраженными сигналами от морского дна и от объекта, особенно при боковых пучках. У промысловой рыбы или морских животных имеются наполненные газом плавательный пузырь или легкие, акустические свойства которых сильно отличаются от акустических свойств морского дна, и при этом нелинейны. Эти различия в акустических свойствах вместе со способами в соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы для дифференциации накладывающихся отраженных сигналов от таких объектов и от морского дна. Эти способы могут быть также использованы для усиления небольших твердых структур, таких как мины, на более мягком морском дне или в почве, как они используются для обнаружения микрокальцификаций в опухоли.

Таким образом, существует потребность в улучшенном способе построения акустического изображения, в котором уменьшен шум изображения и усилен контраст изображения, связанный с изменением свойств объекта

Способы, выполненные в соответствии с настоящим изобретением, уменьшают шум изображения и усиливают контраст изображения, связанный с изменением свойств объекта, путем излучения на объект групп акустических импульсов в двухполосном частотном диапазоне с перекрывающимися высокочастотными и низкочастотными импульсами. Акустические импульсы в двухполосном частотном диапазоне использовались ранее в построении медицинских ультразвуковых изображений для различных целей, где для кардиовмешательства в М-режиме и в допплеровском (Британский журнал по болезням сердца, январь 1984 г., № 51 (1), с. 61-69) одновременном излучении использовались импульсы частотой 3 и 1,5 МГц с фиксированными фазовыми соотношениями между импульсами для построения оптимального изображения сердца в М-режиме (импульс 3 МГ ц) и для допплеровского измерения скорости крови (импульс 1,5 МГц). Использовался преобразователь с концентрическим кольцевым устройством, в котором 3-МГц ультразвуковой импульс в М-режиме излучался и принимался центральным диском преобразователя, тогда как 1,5-МГц допплеровский ультразвуковой импульс излучался и принимался окружающим его кольцевым элементом.

Использование излучаемых импульсов в двухполосном частотном диапазоне для улучшенного обнаружения ультразвукового контрастного вещества, микропузырьков, также описано в патенте США № 5410516. В этом патенте описано одновременное излучение двух ультразвуковых импульсов с разными центральными частотами, при этом рассеянные от микропузырьков импульсы содержат как суммарную, так и разностную частоты от излученных частот, полученные при нелинейном рассеянии от микропузырьков, т.е. эти суммарные и разностные частоты используются для обнаружения микропузырьков.

Подобное использование импульсов в двухполосном частотном диапазоне для обнаружения ультразвукового контрастного вещества описано в патенте США № 6312383, где фаза между двумя частотными полосами изменялась между излучениями. Этот случай можно рассматривать как частный случай описанного в патенте США № 5410516, в котором изменение фазы низкочастотного импульса можно рассматривать как биение между низкой частотой и частотой следования импульсов.

Однако, хотя оба из указанных выше патентов используют нелинейное рассеяние импульсов в двухполосном частотном диапазоне для обнаружения контрастного вещества в ткани, оба они не рассматривают нелинейный эффект влияния импульса низкочастотного диапазона на скорость прямого распространения импульса высокочастотного диапазона, который в практической ситуации ограничивает подавление сигнала от ткани относительно сигнала от контрастного вещества. В патентах также не отмечено, как может быть использована информация от нелинейного рассеяния от обычной ткани или других объектов. Накапливаемые нелинейные эффекты прямого распространения создают подобные характеристики сигналов для сильного линейного рассеяния от ткани, как и локальное нелинейное рассеяние от микропузырьков и тканей. Этот эффект затеняет локальное нелинейное рассеяние от микропузырьков и других частей объекта и ограничивает соотношение мощности контрастное вещество-ткань (СТВ).

Наличие пузырьков газа и микропузырьков в некоторой области также значительно увеличивает прямой накапливаемый эффект нелинейного распространения и приводит к тому, что линейное рассеяние от объектов, находящихся вне этой области, сильно затеняет рассеяние от пузырьков газа и микропузырьков в объекте. Это явление, например, сильно влияет на построение изображений от контрастного вещества в миокарде с помощью импульсов, которые проходят желудочек сердца с контрастным веществом, прежде чем войдут в миокард, и могут поэтому ошибочно определить кровоток в ишемическом миокарде. Это также влияет на дифференциацию между газом и нефтью за областью с газом в геологических структурах.

Настоящее изобретение отличается от предшествующего уровня техники тем, что в нем использованы вызванные низкочастотным импульсом нелинейные эффекты скорости распространения высокочастотного импульса, и тем, что понимание этих эффектов использовано для формирования сигналов для построения изображений, основанных на высокочастотных прошедших и рассеянных сигналах. Это позволяет разделить накапливаемый нелинейный эффект, влияющий на сигналы, и локальные нелинейные параметры объекта, позволяя тем самым определить локальные нелинейные параметры объекта, что было невозможно в предшествующем уровне техники. Это изобретение также предлагает способ разделения накапливаемого влияния акустического поглощения на сигналы, позволяя определить параметры

- 3 014167 локального акустического поглощения объекта.

Сущность изобретения

Способы находят применение в построении акустических изображений как с помощью обратно рассеянных сигналов, так и с помощью компьютерной реконструкции, основанной на измерении углового рассеяния и/или прямого пропускания.

Группы двухполосных акустических импульсов с компонентами импульсов как в низком, так и в высоком частотных диапазонах, перекрывающихся во временном пространстве, излучаются в направлении области, где находится объект, изображение которого надо построить. В процессе формирования сигнала, используемого для построения изображения, использовано нелинейное управление посредством низкочастотного импульса рассеивающих свойств объекта и свойств распространения высокочастотного импульса. Высокочастотные компоненты принятых сигналов обрабатывают для построения параметров сигналов изображения, а низкочастотные компоненты принятых сигналов могут быть удалены путем фильтрации, например непосредственно в решетке приемного преобразователя.

Обработка сигналов согласно изобретению является частью полной обработки, необходимой для построения изображений, причем дополнительная обработка, необходимая для формирования окончательного изображения и не описанная в настоящем изобретении, является широко известной. Для построения изображения с помощью обратного рассеяния используют способы для формирования радиальных линий изображений, тогда как 2Ό- и ЗЭ-изображения получают путем поперечного сканирования пучком согласно известным способам. Радиальные линии изображений могут быть огибающей сигнала для структурных изображений, допплеровских измерений радиального смещения и скоростей смещения центра рассеяния, деформаций радиального сдвига или скоростей деформаций сдвига соответствующих перемещений центра рассеяния или быстрого времени (времени глубины) спектральных параметров для построения характеристики объекта. Параллельные излученные и/или полученные пучки могут быть использованы для построения многочисленных радиальных линий изображения параллельно для ускорения частоты кадров. С помощью реконструкции изображения посредством компьютерной томографии (КТ) способы обеспечивают улучшенные измерения для указанной реконструкции с уменьшенным шумом реверберации импульса и нелинейными параметрами изображения, которые дают дополняющую информацию.

Изобретение предусматривает несколько способов для улучшенного построения изображений с увеличенным числом импульсов, необходимых для формирования импульса, с дополняющим снижением частоты кадров изображения. Изобретение предусматривает также устройство для работы двух или более способов и процедур для оптимального выбора способов, обеспечивающих наилучшую работу устройства при заданных ограничениях, таких как частота кадров, качество изображения, их комбинация и т.д.

В первом способе в соответствии с изобретением высокочастотный импульс распространяется на фоне отрицательного пространственного градиента низкочастотного импульсного колебания, так что спад высокочастотного импульса имеет более высокую скорость распространения, нежели фронт импульса. Это приводит к кумулятивному пространственному сжатию высокочастотного импульса по мере его распространения в объект, увеличивая частоту и полосу пропускания (т. е. укорачивая длину) высокочастотного импульса, вдобавок к нелинейному самоискажению высокочастотного импульса, которое приводит к появлению гармонических компонентов в импульсе. Это увеличение частоты, определяемое уменьшением длины импульса, противодействует понижению центральной частоты импульса из-за частотно-зависимого поглощения в объекте, обеспечивая, следовательно, получение более высокой принимаемой центральной частоты, нежели когда этот способ не используется.

Поскольку амплитуда низкочастотного импульса сильно уменьшена после первого отражения, многочисленные рассеянные импульсы не будут иметь то же сжатие (укорочение) длины, вызванное нелинейным влиянием низкочастотного импульса на скорость распространения высокочастотного импульса, а из-за поглощения их частота упадет до более низких частот, чем частоты рассеянных импульсов перво го порядка с тем же запаздыванием распространения, и, следовательно, могут быть отфильтрованы, приводя к отчетливому подавлению шума, вызванного реверберацией импульса (многократное рассеяние), как и при построении изображений с помощью второй гармоники, но с чувствительностью как с 1-й гармоникой, обеспечивая получение изображений с большей глубины и использование более высоких акустических частот, чем при построении изображений с помощью второй гармоники, улучшая тем самым пространственное разрешение. Также проще получить более широкие излучаемые пучки с возможностью использования более параллельных принимаемых пучков по сравнению с получением изображений с помощью второй гармоники, обеспечивая более высокую частоту кадров для 2Ό- и особенно для ЗЭ-изображений. Это особенно верно, когда для излучаемого пучка используют разреженные решетки, поскольку в них трудно обеспечить достаточно большие амплитуды для адекватного гармонического самоискажения импульса из-за ограниченного числа элементов решетки. Когда для построения изображений используется 2-я гармоническая полоса принимаемого сигнала, также интересно принять во внимание нелинейное сжатие импульса, поскольку сдвиг частоты вниз из-за поглощения нейтрализуется, обеспечивая более высокие частоты и более короткие импульсы при глубоких диапазонах с улучшенным разрешением. Изобретение также использует этот тип сжатия импульсов для наблюдаемых импульсов

- 4 014167 сдвига объекта от излучательной силы осуществляющих нажим импульсов, для разделения частот между наблюдаемыми и осуществляющими нажим импульсами. Изобретение также использует расположение высокочастотного импульса близко к максимуму низкочастотного импульса излучаемой группы импульсов, чтобы обеспечить более высокую излучаемую амплитуду высокочастотного импульса с ограничением в механическом индексе (МИ) объекта.

Во втором способе в соответствии с изобретением излучают две или более групп акустических импульсов в двухполосном частотном диапазоне последовательно для каждой радиальной линии изображения, причем высокочастотный импульс располагают близко к максимуму или к минимуму низкочастотного импульса, при этом частоту, и/или фазу, и/или амплитуду низкочастотного импульса изменяют с каждой излученной группой для того, чтобы нелинейным образом управлять акустическим рассеянием и свойствами прямого распространения объекта для высокочастотных компонентов. Нелинейное управление скоростью прямого распространения вместе с этим способом используют в процессе формирования сигналов для построения изображения.

С помощью этого способа можно, например, сформировать 1-й сигнал для построения изображения, уравнение (14), со значительным подавлением шума реверберации импульса и с чувствительностью 1-й гармоники, чтобы иметь те же самые преимущества, что и одиночного импульса, описанного выше. Изобретение также предлагает определение задержек нелинейного распространения, которые дают 1-й численный нелинейный параметр изображения, уравнение (27), являющийся нелинейным параметром прямого распространения, в виде комбинации дифференциальных и оценочных задержек нелинейного распространения, а также определение амплитуды низкочастотного импульса. Частота этого импульса может быть выбрана настолько низкой (обычно ~1/5-1/20 от частоты высокочастотного импульса), что различиями в поглощении акустической мощности между различными объектами и отдельными предметами можно пренебречь, а амплитуду низкочастотного импульса при этом можно определить путем моделирования или измерения в водных или нефтяных смесях. Изобретение также предлагает способ определения локального коэффициента поглощения через комбинацию определенных нелинейных задержек распространения в соответствии со вторым способом (а также в соответствии с 3- и 4-м способами, описанными ниже), а также радиального градиента нелинейных задержек распространения, центральной частоты в высокочастотном принятом сигнале согласно первому способу и радиального градиента указанной центральной частоты.

Уменьшенный шум реверберации в принимаемых сигналах способствует в соответствии с изобретением оценке корректировок для аберрации волнового фронта, как, например, описано в патентах США № 6485423 и 6905465, а также в заявке на патент США № 1094387, на которые дана ссылка в связи с настоящим изобретением. Изобретение также дает приблизительную оценку корректировок задержки для аберрации волнового фронта, полученную из нелинейных задержек распространения, как оценки для сигналов от каждого элемента или субапертурного сигнала, определенного в описании ниже.

В соответствии с изобретением далее в процессе формирования сигналов для построения изображений корректируют принятые высокочастотные сигналы, используя оценки нелинейных задержек распространения. Затем можно сильно подавить линейно рассеянный в этом процессе от объекта сигнал и получить 2-й сигнал изображения, уравнения (19) и (28), который является нелинейно рассеянным сигналом, отображающим локальные нелинейные свойства объекта в масштабе, меньшем, чем высокочастотная длина волны, тогда как нелинейные параметры распространения показывают нелинейные свойства объекта в масштабе, большем пары высокочастотных длин волн. Затем нелинейный сигнал обеспечивает контраст изображения к быстрым изменениям структур объекта с улучшенной дифференциацией этих структур. Нелинейное рассеяние особенно сильно на границах между материалами с большой разницей в податливости, таких как границы между биологическими тканями и более жесткими тканями, такими как соединительная и мускулатурная ткани, или твердые материалы, такие как кальцификации, или между частями объекта с низкой и высокой податливостью, такими как жир и микропузырьки газа в биологических тканях, газ в пористых горных породах, плавательные пузыри рыб или легкие морских животных и окружающая вода и ткань, улучшая тем самым характеризацию структур объекта.

Пузырьки газа часто естественным образом присутствуют в объекте, например в плавательном пузыре рыбы или легких морского животного, пузырьки газа в пористой горной породе, микропузырьки, спонтанно образованные в ткани во время декомпрессии, или микропузырьки, введенные в объект в качестве контрастного вещества. Компрессионная динамика пузырьков в акустических волнах давления описывается дифференциальным уравнением, показывающим резонансное акустическое рассеяние с частотно зависящим запаздыванием фазы между падающей и рассеянной волнами, в противоположность рассеянию от твердых тел или текучих сред, где изменением с частотой этой фазы можно практически пренебречь. Резонансная частота и, следовательно, это запаздывание фазы рассеянного сигнала от пузырька газа для высокочастотного импульса также управляются низкочастотным импульсом, вдобавок к амплитуде сигнала, что позволяет выделить большую часть рассеянной мощности из пузырьков газа посредством второго способа (не только гармонических компонентов) и значительно увеличивает СИК (отношение контраста к шуму) по сравнению с существующими способами. При хорошем определении корректировок в нелинейных задержках распространения, а также корректировок амплитуды способы в

- 5 014167 соответствии с изобретением сильно подавляют линейно рассеянный от объекта сигнал и значительно увеличивают СОК (отношение контраста к объекту) по сравнению с существующими способами. В отличие от способов обнаружения контрастного вещества, существующих в уровне техники, таких как получение гармонических изображений, инверсия импульса или допплеровская мощность, в способах, выполненных в соответствии с настоящим изобретением, могут быть использованы более высокие акустические частоты по сравнению с резонансной частотой пузырька с улучшенным пространственным разрешением. Также можно использовать более низкие амплитуды импульса (меньший механический индекс (МИ)), в результате чего не разрушаются пузырьки, являющиеся медицинским контрастным веществом. Это важно при построении изображения определенных заданных в ткани микропузырьков, где только ограниченная группа микропузырьков пристает к выбранным тканям, например опухолевым тканям, атеросклеротичным бляшкам, тромбам, и т.д., где важно получить изображение пузырьков без их разрушения.

Облако микропузырьков в биологической ткани, текучих средах или пористых горных породах имеет сильное нелинейное влияние на скорость распространения проходящего через него импульса, причем в этих случаях чрезвычайно важно обеспечить корректировки для нелинейной задержки распространения, чтобы хорошо подавить линейно рассеянный сигнал от объекта вне облака микропузырьков. С помощью этих корректировок задержки изобретение предлагает разделение между накопленной нелинейной задержкой прямого распространения и локальным нелинейным рассеянием, в отличие от того что предлагается в других способах, таких как гармоническое получение изображений или получение изображений с помощью инверсии импульса, и обеспечивает огромное преимущество для подавления сигнала для построения изображения от объекта, когда получают изображение от пузырьков газа, находящихся вне облака, например в периферическом миокарде при построении медицинских изображений, обнаружении газа вне области с газом при построении геологических изображений или обнаружении рыбы или морских животных в области вне стаи рыб или морских животных. Если в этом случае не сделаны никакие корректировки на нелинейные эффекты распространения или эти корректировки ограничены, то линейно рассеянный сигнал от объектов в областях, где отсутствуют пузырьки газа, будет обладать теми же свойствами, что и рассеянный от пузырьков газа сигнал, маскируя тем самым обнаружение пузырьков газа в этих областях. Это может ошибочно указать на кровоток в ишемической области миокарда, на газ в геологических структурах и на рыбу или других морских животных в воде.

Помимо многочисленных медицинских применений изображений микропузырьков в качестве ультразвукового контрастного вещества, получение изображений микропузырьков в соответствии с этим способом в случаях декомпрессии, встречающихся при работе в космосе и при погружениях, может быть использовано для наблюдения за образованием таких пузырьков, чтобы изучать и разрабатывать профили декомпрессии, а также чтобы иметь раннее предупреждение о появлении кессонной болезни.

При дальнейшей обработке данных согласно второму способу высокочастотные сигналы с корректировкой задержки объединяют вдоль координаты номера импульса, чтобы получить 3-й сигнал изображения, уравнения (17) и (29), который является линейно рассеянным сигналом. Линейно рассеянный сигнал имеет то же самое ослабление из-за поглощения мощности, что и 2-й сигнал изображения, который является нелинейно рассеянным сигналом. Посредством комбинации нелинейно и линейно рассеянных сигналов и определения амплитуды низкочастотного импульса, как показано выше, в изобретении приводится 2-й численный нелинейный параметр изображения, уравнение (30), который является численным нелинейным параметром рассеяния. Этот 2-й численный нелинейный параметр представляет собой пространственные флуктуации нелинейных параметров объекта в масштабе, приблизительно меньшем, чем длина волны в высокочастотной полосе, тогда как 1-й численный нелинейный параметр, уравнение (27), представляет собой усредненные по пространству нелинейные параметры объекта в масштабе, приблизительно большем, чем длина волны в высокочастотной полосе. Таким образом, обратное рассеяние и прямое распространение представляют собой, следовательно, два разных численных параметра изображения, которые можно наблюдать для большей информации о характеристиках объекта. Численные нелинейные параметры улучшают тем самым дифференциацию структур объекта, а также способствуют характеризации объекта с помощью этого способа, который весьма полезен при диагностике опухолей и атеросклеротичных бляшек в медицинских приложениях, при получении информации о газе, нефти или воде в геологических структурах, а также при получении информации о количестве и размерах рыбы и морских животных в воде. Калибровка изменений этих численных параметров с температурой также способствует оценке локальной температуры с помощью ультразвука, например, для выбора гипертермичного или гипотермичного лечения опухолей в медицине. Она также дает новые способы количественного определения объема контрастного вещества в ткани, кровотока через ткань, а также относительные объемы газа и нефти в геологических структурах.

При наличии неподвижных, временно стационарных объектов можно, например, излучить два импульса с разной частотой, и/или фазой, и/или амплитудой низкочастотных компонентов, затем объединить рассеянные или излученные сигналы от этих импульсов для подавления реверберации импульсов и определить нелинейные параметры объекта. Когда объект и акустический зонд перемещаются относительно друг друга, преимущественно можно излучить более двух импульсов для каждой радиальной ли

- 6 014167 нии изображения, чтобы адекватно подавить линейно рассеянный сигнал или подавить шум реверберации импульса, связанный с многочисленными импульсами. Например, можно излучить ряд К-импульсов, имеющих одинаковую фазу высокочастотных компонентов, но с разными частотами, и/или фазами, и/или амплитудами низкочастотных компонентов для каждого импульса. Обратно рассеянные сигналы от этих импульсов объединяют в фильтре верхних частот с поимпульсным накоплением, в котором подавляются реверберации импульса и проходят компоненты 1-го порядка рассеянного сигнала. С помощью оценок и корректировок для нелинейных задержек распространения, а также желательно и корректировок для амплитуды, выполненных перед фильтром верхних частот, можно выделить локальный нелинейно рассеянный сигнал от объекта или рассеянный сигнал от пузырьков газа, а также численные нелинейные параметры распространения и рассеяния объекта.

В этом втором способе шум реверберации импульса (и в малой степени сами нелинейные компоненты сигнала) вносят ошибки в корректировки нелинейных задержек распространения. Эти ошибки ограничивают подавление линейно рассеянного сигнала при оценке нелинейно рассеянного сигнала. Для эффективного устранения влияния шума реверберации импульса на оценку корректировок нелинейной задержки можно использовать 2-ю гармоническую компоненту рассеянных сигналов со вторым способом в соответствии с изобретением или же можно в соответствии с 3-м способом изобретения излучить по меньшей мере три импульса с разными частотами, и/или фазами, и/или амплитудами низкочастотного импульса, как описано со ссылкой на уравнения (42)-(44).

Этот третий способ также проявляет влияние нелинейного рассеяния на определение корректировок нелинейных задержек.

В четвертом способе в соответствии с изобретением, описанным со ссылкой на уравнения (45)-(48), можно излучить по меньшей мере четыре импульса с разными частотами, и/или фазами, и/или амплитудами низкочастотного импульса, обеспечивая определение корректировок нелинейных задержек, линейно рассеянного сигнала и нелинейно рассеянного сигнала с минимальной помехой друг от друга и от шума реверберации.

Также можно использовать 2-ю гармоническую полосу (или любую гармоническую полосу) принятого сигнала для формирования изображения согласно любому из второго, третьего и четвертого способов вместо использования первой гармонической полосы принятого сигнала, как описано выше. Преимуществом этого является дополнительное подавление шума реверберации импульса как в сигналах для построения изображения, так и в оценке нелинейной задержки распространения, как было описано выше. Недостатком является меньшая чувствительность при более глубоких диапазонах, тем самым уменьшается глубина изображения для той же частоты изображения.

С помощью электронного управления направлением пучка обычно используют то же направление пучка и излучают фокус для всех излученных импульсов для каждой радиальной линии изображения и диапазона глубины, причем полученные сигналы объединяют для подавления линейно рассеянных от объекта сигналов для этой линии изображения. Типичные используемые схемы фильтров включают КИХ-фильтры или фильтры с переменным временем отклика импульса, как ортогональная декомпозиция с использованием, например, полиномов Лежандра с фильтрацией, осуществляемой вдоль номера координаты импульса для каждой глубины.

С помощью механического управления направлением пучка как с кольцевой решеткой или получением 3Э-изображений обычно излучают импульсы с изменением в частоте, и/или фазе, и/или амплитуде низкочастотного импульса с непрерывной разверткой по направлению пучка, подавая сигнал для каждой глубины на фильтр верхних частот вдоль номера координаты импульса. Выходы фильтров верхних частот затем запоминаются для каждой глубины и радиальной линии изображения для оценки сигналов и параметров изображения, которые будут использованы для реконструкции изображения вдоль радиальной линии изображения в этом диапазоне глубины.

Изобретение также предлагает основные конструкции устройств для построения изображений, которые работают в соответствии со способами согласно изобретению. Поскольку число импульсов для каждой радиальной линии изображения вместе с качеством изображения и информацией увеличивается с увеличением порядка способа, частота кадров уменьшается с увеличением порядка способа. В наиболее продвинутой модели устройство может работать, используя более чем один способ с процедурами для оптимального выбора способов для построения изображения с наилучшей эффективностью, принимая во внимание заданные ограничения. Типичными ограничениями являются минимальная частота кадров, минимальные требования к качеству изображения и т.д.

Наконец, изобретение предлагает процедуру конструирования решеток преобразователей, которая сводит к минимуму нелинейное влияние низкочастотного импульса на задержку распространения высокочастотного импульса. При малых амплитудах (~50 кПа) компонентов низкочастотного импульса такие решетки преобразователей обеспечивают построение изображений медицинских ультразвуковых контрастных веществ или микропузырьков при декомпрессии с ограниченным, но все-таки интересным подавлением линейно рассеянных сигналов от объекта, без корректировки нелинейных задержек распространения высокочастотного импульса, привнесенных низкочастотным импульсом.

- 7 014167

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 изображает первый тип излучаемых импульсов в соответствии с изобретением, причем этот первый тип содержит как низкочастотный, так и высокочастотный импульс, при этом высокочастотный импульс расположен на пространственном градиенте низкочастотного импульса.

Фиг. 2 показывает, как полосовая пропускающая фильтрация по глубине принятого сигнала из импульса, показанного на фиг. 1, может быть использована для значительного подавления шума реверберации импульса.

Фиг. 3 изображает второй тип излучаемых импульсов в соответствии с изобретением, содержащих как низкочастотный импульс, так и высокочастотный импульс, в котором высокочастотный импульс, например, расположен в максимуме либо положительного, либо отрицательного периода низкочастотного импульса.

Фиг. 4 изображает задержки прямого распространения высокочастотного импульса, которые созданы низкочастотным импульсом, изображенным на фиг. 3.

Фиг. 5 изображает ряд принятых высокочастотных сигналов от последовательных излученных импульсов как функцию быстрого времени (глубины) и медленного времени (номера координаты импульса).

Фиг. 6 изображает принятые линейные и нелинейные частотные линии вдоль частотной координаты медленного времени.

Фиг. 7а и 7Ь показывают, как реверберации импульса испытывают меньшее управление нелинейным распространением посредством низкочастотного импульса, чем рассеянные сигналы первого порядка.

Фиг. 7с изображает выигрыш от обработки сигнала, зависящий от глубины, полученный благодаря способу подавления реверберации импульса в сигнале.

Фиг. 8 показывает узел решетки преобразователей для излучения низкочастотных и высокочастотных компонентов.

Фиг. 9 изображает основную решетку преобразователей и принцип создания устройства для одновременного измерения пропускания и углового рассеяния в объекте.

Фиг. 10 показывает блок-схему блока оценки для сигналов и параметров изображения, которые могут быть получены этим способом.

Фиг. 11 показывает еще одну блок-схему блока оценки для сигналов и параметров изображения, которые могут быть получены этим способом.

Фиг. 12 показывает блок-схему блока устройства для построения изображения от рассеянных сигналов в соответствии с изобретением.

Фиг. 13 показывает блок-схему блока устройства для реконструкции томографического изображения из измерений пропускания и углового рассеяния в соответствии с изобретением.

Фиг. 14 показывает расположение акустических преобразователей в нефтяной скважине для наблюдения за геологическими структурами вокруг нефтяной скважины.

Описание вариантов выполнения изобретения

Акустические объемные волны в однородных материалах в линейном режиме подчиняются линейному волновому уравнению, где скорость с₀ распространения объемной волны определяется плотностью р₀ и коэффициентом объемного сжатия к₀ однородной среды распространения. Коэффициент объемного сжатия в линейном приближении объемной упругости определяется через относительный объем сжатия материала, как — = -&ψ = к_ор (1) где δν - относительный объем сжатия небольшого объема ДУ, подверженного воздействию давления р;

Ψ - смещение частицы в материале, так что -5Ψ - относительное сжатие объема.

Рассеяние акустических объемных волн от объектов осуществляется пространственными флуктуациями коэффициента сжатия и плотности объекта. Обозначим пространственно меняющиеся плотность и коэффициент сжатия для амплитуд низкого давления соответственно как р₀(г) и к₀(г), где г является пространственной координатой. Тогда линейный коэффициент обратного рассеяния от некоторой локальной точки г будет равен ’ ^.(Г,_Ь,_Ь) - ρ(4ΰ _{+ т} где р_0а(г) и к_0а(г) - пространственно усредненные плотность и коэффициент объемного сжатия в масштабе приблизительно пары длин волн λ акустического импульса;

С - единичный вектор в направлении падающей волны;

с, - единичный вектор в направлении наблюдения рассеянной волны, как показано на фиг. 9.

Скалярное произведение е^₈=С05у₁₈, где γ₁₈ - угол между направлением падающей волны и направлением рассеянной волны. Для обратного рассеяния γ,,=π и е_|с,=-1. Волновое число падающей волны к=ш/с=2пД, где ω - угловая частота; с - акустическая скорость распространения. Линейный обратно рассеянный сигнал в точке г от волны давления с амплитудой р₁(г, ω) при угловой частоте ω пропорциона

- 8 014167 лен к²о0(г)р1(г, ω). Изображения обычно получают с помощью излученного пучка с центральной частотой Οι и полосой Вь где сигнал изображения - прошедший полосой фильтр вариант к²о0(г) в координатах г диапазона около 2к₁=2о₁/с и полосой 2В₁/с. Поскольку более мягкий материал (больший коэффициент объемного сжатия) обычно имеет меньшую плотность, члены с коэффициентом объемного сжатия и плотностью в уравнении (2) обычно имеют противоположные знаки, так что для обратного рассеяния эти величины складываются арифметически, причем член с коэффициентом объемного сжатия превышает при обратном рассеянии член с плотностью примерно в 2,5 раза.

Пространственные изменения в средней плотности и коэффициенте объемного сжатия, р_0а(г) и к_Оа(г), приводят к изменениям в акустической скорости распространения, т.е.

С0а(г) = (3)

Это пространственное изменение скорости распространения ответственно за аберрации волнового фронта, в частности, встречающиеся в биологических изображениях в стенке тела, но также и во всех объектах, как грудная железа и лимфатические железы, в которых есть область жира, или соединительной ткани. Большие изменения скорости распространения в геологических изображениях часто встречаются во всем изображении.

Типичные значения коэффициента объемного сжатия для мягких тканей и жидкостей κ₀~400·10¹² Па^-1 с типичной амплитудой акустического импульса р~10⁶ Па, что дает δν/Δν~0,4·10^-3. Сжатие объема приводит к увеличению плотности как δρ/Λο₀=κ_0ρ~0,4·10^-3. Горные породы имеют меньший коэффициент сжатия, тогда как вода и нефтепродукты имеют коэффициент сжатия, сходный с тканями. Аналогично, когда объект подвергнут сжатию, коэффициент объемного сжатия уменьшается, что вместе с учетом акустического поглощения в объекте видоизменяет уравнение (1) [1]:

δν —— = -Θψ = (1 - β_ηκ_ορ)κ_ορ + Λ ® κ_ορ (4) где β_η=(1+Β/2Α)~5 - нелинейный параметр, соответствующий традиционно используемым параметрам В и А для нелинейного модуля упругости [1].

Свертка по времени между давлением волнового фронта и к представляет собой зависящее от частоты поглощение акустической мощности в материале. Первый член описывает нелинейный коэффициент объемного сжатия, зависящий от давления, тогда как производная этого члена по давлению при стандартном давлении р₀ дает

ЗЛУ « = ду = (1 - 2β_ηκ₀ρο)κ₀ (5) что дает относительное изменение коэффициента сжатия с давлением, так как δκ_η/κ₀=-2β_ηκ₀ρ₀.

Нелинейные изменения в коэффициенте объемного сжатия, следовательно, равны в 2β_η~10 раз больше, чем нелинейные изменения в плотности, созданные давлением, где для р~1 получаем δκη/κ0=-2βηκρ0~4· 10^-3.

Нелинейное изменение плотности и коэффициента сжатия приводит к нелинейному изменению как скорости рассеяния, так и скорости прямого распространения волны, а изобретение использует эти эффекты для уменьшения шума, связанного с реверберацией импульса, увеличения контрастности изображения для различных структур объекта, микрокальцификаций и пузырьков газа и для создания численных акустических параметров изображения объекта, микрокальцификаций, пузырьков газа и областей, наполненных газом. Далее описаны иллюстративные варианты выполнения изобретения со ссылкой на чертежи.

В первом способе в соответствии с изобретением используют сжатие и расширение во времени высокочастотного импульса низкочастотным импульсом для управления центральной частотой и шириной полосы прямо распространяющегося в объекте импульса. Это сжатие во времени создается благодаря зависимости от давления скорости прямого распространения, которая приблизительно может быть выражена как

где β_ηα и κ_0α - локальные пространственно усредненные значения по паре длин волн при нулевом давлении, как было определено выше.

Для дальнейшего объяснения этого принципа обратимся к фиг. 1а, на которой изображен излученный импульс, состоящий из низкочастотной компоненты 101 с амплитудой р0 и добавленной высокочастотной компонентой 102 с амплитудой р_ь причем высокочастотная компонента едет на отрицательном пространственном градиенте низкочастотного импульса, с центром высокочастотного импульса, расположенного, например, около нуля низкочастотного импульса с. Высокочастотный импульс используют для построения изображения, а низкочастотный импульс удаляют путем фильтрации в приемнике, например в самом преобразователе приемника, или так, как описано ниже.

- 9 014167

Зависящая от давления скорость распространения вызывает возрастающее с накоплением искажение прямого распространения импульса, определяемое фактическим давлением импульса, которое складывается из давлений низкочастотного импульса и высокочастотного импульса, которые на расстоянии г распространения создает искаженный низкочастотный импульс 103 с искаженным высокочастотным импульсом 104. Искажение высокочастотного импульса может быть разделено на сжатие длины импульса нулевых точек высокочастотного импульса, созданное локальным давлением низкочастотного импульса, и на самоискажение формы импульса, вызванное самим мгновенным значением высокочастотного давления. Номер позиции 105 на фиг. 1Ь показывает сжатый во времени искаженный импульс (пунктирная линия), тогда как для сравнения показан неискаженный высокочастотный импульс 106 (точечнопунктирная линия), при этом добавление самоискажения импульса дает полностью искаженный импульс 107 (сплошная линия). Сжатие импульса происходит из-за того, что более высокое давление низкочастотного импульса на срезе высокочастотного импульса приводит к более высокому значению скорости распространения среза импульса по сравнению со скоростью распространения с более низким значением низкочастотного давления в передней части высокочастотного импульса. Это сжатие импульса приводит к увеличению центральной частоты и ширины полосы высокочастотного импульса, тогда как искажение формы импульса вносит гармонические компоненты фундаментальной частотной полосы высокочастотного импульса. И то, и другое используются в первом способе в соответствии с изобретением. Искажение распространения низкочастотного импульса вносит гармонические компоненты излученной низкочастотной полосы.

Это нелинейное искажение прямого распространения импульса является тем же самым эффектом, что создает гармонические компоненты в прямо распространяющемся импульсе, которое линейным образом обратно рассеивается от объекта и используется в гармоническом построении изображений объектов, описанном далее в отношении уравнений (10)-(14) и фиг. 9. Амплитуда гармонических компонентов в импульсе сначала увеличивается с дальностью распространения, далее затухает с дальностью распространения из-за поглощения акустической мощности высокочастотного импульса и расходимости пучка. Низкочастотная полоса может быть выбрана настолько узкой (~1/5-1/20 от ширины полосы высокой частоты), что поглощением низкочастотного импульса практически можно пренебречь для фактических диапазонов изображения. Уменьшение амплитуды низкочастотного импульса тем самым, главным образом, определяется расходимостью пучка, которую можно ограничить путем выбора конструкции решетки; влияние нелинейного распространения низкочастотного импульса на высокочастотный импульс посредством конструкции решетки может быть тем самым сделано достаточно большим во всем диапазоне изображения, а также и в других случаях в соответствии с изобретением, как, например, показано на фиг. 3. Все это обеспечивает повышенную чувствительность при глубоких диапазонах с помощью способов, выполненных в соответствии с изобретением, в сравнении с получением изображений с помощью второй гармоники, явления, к которому вернемся в связи с уравнением (14) и фиг. 7е. В некоторых случаях использование второй гармонической полосы принятых высокочастотных сигналов вместе со способами согласно изобретению может иметь определенное преимущество, поскольку используется для улучшенного подавления шума реверберации импульса в изображениях и для определения параметров изображения, как это описано ниже. Чтобы прояснить существенные моменты, сначала проанализируем случай, когда отсутствует расходимость пучка (т.е. плоские волны) и нет поглощения ультразвука. Разница давлений низкочастотного импульса на длине волны λ! высокочастотного импульса дается выражением Др₀=Х₁5р₀/дг. Градиент создает разницу в скорости распространения на длине волны высокой частоты, равную Ас,_|=-в_1|,_|к₀₁.,с₀,_|Ар₀. которая является причиной сжатия волны с длиной г распространения. Надо отметить, что эта же Дс_а приводит к увеличению низкочастотного градиента давления с г пропорционально уменьшению высокочастотной длины волны, так что падение давления вдоль сжатой высокочастотной длины волны поддерживается равным Др₀, как показано на фиг. 1а. По истечении времени 1=г/с_0а распространения получаем, таким образом, сжатие высокочастотной длины волны Δλ^Δο^ΓΔ^/ο^-β^^Δρ^. При отсутствии поглощения и расходимости пучка получаем Др₀^1др₀/дг=р₀₀к₀Д₁₀=2пр₀Д₁₀А₀₀, где р₀₀ - амплитуда, κ₀₀=2π/λ₀₀ - волновое число и λ₀₀ - длина волны излученного низкочастотного импульса на поверхности решетки до искажения распространения. По истечении времени распространения 1=г/с_0а получаем, таким образом, сжатие высокочастотной длины волны Δλ₁=-β_ηκ_0ί1Δρ₀ι^,=-β_Ι1κ_0ί1ρ₀₀Ε₀ολ₁οΓ, что дает увеличение сжатия на высокой частоте, равное

Сжатие/расширение сопровождается пропорциональным изменением ширины полосы импульса (примерно обратной длине импульса). В соответствии с этими формулами частота становится бесконечной для х_4|=1/в_1ак_0ар₀₀к₀₍₎ - явление, которое называют акустической встряской, при котором отрицательный градиент низкочастотных колебаний становится бесконечным. В реальности поглощение акустической мощности предотвращает эту ситуацию.

- 10 014167

Акустическое поглощение также ответственно за скольжение вниз по частоте центральной частоты высокочастотного импульса при сохранении ширины полосы импульса. Увеличение частоты из-за сжатия наблюдается только для уходящего импульса, в котором амплитуда низкочастотного импульса достаточно велика, тогда как скольжение вниз по частоте из-за поглощения наблюдается как для уходящего, так и для рассеянного импульса, в котором для обратного рассеяния получается длина распространения, равная 2г. Для гауссовой огибающей импульса скольжение вниз по частоте дается выражением

Δ/_1α--О,3ба<г (8) где В1 - ширина полосы на 6 дБ высокочастотного акустического импульса; α=/8,686()^-1.

Следует отметить, что с помощью построения изображения методом трансмиссионной компьютерной томографии, который описан далее в связи с фиг. 9, получаем только одностороннее распространение, в котором скольжение вниз по частоте из-за поглощения равно половине величины, даваемой уравнением (8).

Типичный диапазон построения изображения К. для построения изображения с помощью обратного рассеяния ограничен акустическим поглощением, которое возрастает линейно с частотой. Расстояние К, таким образом, соотносится с высокочастотной акустической длиной волны λ₁=ο_0α/ί₁ как Κ~200λ₁-300λ₁. Для р₀=1 МПа, β_η=5, к_0а=400-10^-12 Па^-1, Κ=250λ₁ и λ₁₀/λ₀₀=10 получаем Δί_1ρ=0,458ί₁₀, что для ί₁₀=10 дает Δί_1ρ=4,58. Акустическую встряску находят для ζ_4ι/λ|₀=796. что в 2,65 раза больше, чем максимальный диапазон построения изображения. Для В₁₀=5 получаем скольжение вниз по частоте из-за поглощения высокочастотной центральной частоты, равное Δί_1α=4, в соответствии с уравнением (8), причем полученное скольжение компенсирует увеличение частоты за счет сжатия, так что принимаемая частота для обратного рассеяния первого порядка в поглощающей среде приблизительно равна ί₁₀=10 для всех глубин, т.е. как и излученная.

Поскольку сжатие импульса создается низкочастотным импульсом, где, как описано выше, для реальных диапазонов построения изображения поглощением мощности можно пренебречь, то сжатие длины импульса и соответствующее ему уширение полосы практически не зависят от поглощения для всех реальных диапазонов построения изображения. Скольжение вниз по частоте центральной частоты высокочастотного импульса из-за поглощения происходит, однако, из-за поглощения высокочастотного импульса. Скольжение вниз по частоте пропорционально квадрату абсолютной ширины полосы В1 импульса, причем скольжение вниз по частоте из-за поглощения сохраняет неизменной ширину полосы. Следовательно, в примере, приведенном выше, совместным эффектом нелинейного сжатия импульса и преобразования с понижением частоты из-за поглощения является импульс с приблизительно постоянной центральной частотой, которая поддерживает поперечное разрешение (ширину пучка), но с шириной полосы (приблизительно обратной длине импульса), которая увеличивается с глубиной, что улучшает разрешение диапазона с глубиной. Заметим, что из уравнения (8) следует, что увеличение В₁ с глубиной приводит к возрастающему скольжению вниз по частоте с глубиной из-за поглощения. Вернемся к более подробному анализу этого случая при рассмотрении уравнений (35) и (36).

Преобразование с повышением частоты высокочастотного импульса, связанное с прямым распространением, может быть использовано для улучшения разрешения изображения при более глубоких диапазонах. Это также может быть использовано для улучшения проникновения с лучшим разрешением при глубоких диапазонах, где, например, можно излучить достаточно низкую частоту, которая повышается до более высокой частоты при более глубоких диапазонах посредством низкочастотного импульса, снижая тем самым общее поглощение вдоль пути импульса для полученной частоты импульса в высокочастотной полосе при глубоких диапазонах. В этом аспекте также может быть использовано скольжение фазы низкочастотного и высокочастотного импульсов с расстоянием распространения, с особыми решениями профиля низкочастотного пучка относительно профиля высокочастотного пучка, как описано ниже в связи с фиг. 8. Это скольжение обеспечивает, например, возможность того, что высокочастотный импульс, расположенный на отрицательном пространственном градиенте низкочастотных колебаний в близких/средних диапазонах, будет скользить к нулю или даже к положительному пространственному градиенту низкочастотных колебаний при далеком диапазоне. Это уменьшает сжатие импульса практически до нуля или даже растягивает высокочастотный импульс путем воздействия на него низкочастотного импульса при глубоких диапазонах, что (вместе со скольжением из-за поглощения) уменьшает центральную частоту и ширину полосы импульса в высокочастотной полосе для глубоких диапазонов с повышенным проникновением.

Амплитуда низкочастотного импульса сильно падает при первом отражении, а влиянием низкочастотного импульса на сжатия/расширение высокочастотного импульса можно практически пренебречь после первого отражения, как описано в отношении фиг. 7 далее, тогда как скольжение вниз по частоте высокочастотной центральной частоты из-за поглощения преобладает для всего расстояния распространения многократно рассеянного импульса. Следовательно, расстояние по частоте между рассеянным сигналом 1-го порядка (однократное рассеяние) и шумом реверберации импульса (многократное рассеяние) может в изображении увеличиваться с глубиной, как показано на фиг. 2. На этом чертеже номер

- 11 014167 позиции 201 показывает ожидаемое изменение центральной частоты первой гармонической компоненты обратно рассеянного сигнала 1-го порядка, при этом ширина полосы В₁(г) сигнала увеличивается с глубиной, как показано граничными линиями 202, из-за сжатия высокочастотного импульса низкочастотным импульсом. Центральная частота шума реверберации импульса из-за поглощения уменьшается с глубиной, что изображено линией Г_га,(г). отмеченной номером позиции 203 на этом чертеже. Самые мощные источники, создающие шум реверберации импульса, обычно находятся близко к акустическому источнику, создавая ширину полосы В_геи(г) шума реверберации импульса, которая имеет практически ту же самую величину, что и ширина полосы излученного высокочастотного импульса, что проиллюстрировано предельными линиями 204. Вторая гармоническая полоса обратно рассеянного сигнала 1-го порядка благодаря самоискажению прямо распространяющегося импульса (104) показана с центральной частотой 2Г1(г) номером позиции 205 и шириной полосы В₂(г)>В1(г) предельными линиями 206. Амплитуда второй гармонической компоненты сначала возрастает с глубиной, а затем падает благодаря поглощению и расходимости пучка первой гармонической высокочастотной компоненты.

Первый сигнал изображения с сильным подавлением шума реверберации импульса в соответствии с изобретением может быть получен с помощью фильтра приемника, который подавляет более низкие частоты с частотой отсечки, которая скользит с глубиной диапазона. На фиг. 2 путем примера показан полосовой фильтр приемника со скользящей центральной частотой Г_ге(г), изображенный линией 207, с шириной полосы В_ге(г), которая может меняться с глубиной, как показано граничными линиями 208 на этом чертеже. В ближнем и среднем диапазонах разность частоты между шумом реверберации импульса и первой гармонической полосой рассеянного сигнала 1-го порядка настолько мала, что невозможно разделить две компоненты в частотной области. Однако 2-я гармоническая полоса рассеянного сигнала 1-го порядка быстро возрастает по амплитуде и имеет низкий шум реверберации, так что установка частоты фильтра приемника вблизи второй гармонической полосы для малых и средних глубин, как показано на чертеже, дает принимаемый сигнал с сильным подавлением шума реверберации импульса на этих глубинах. Первая глубина изображения обычно является расстоянием в объект, где обнаруживаются вторые гармонические компоненты излученного высокочастотного импульса. В противном случае фильтр приемника может пропустить первую гармоническую компоненту при совсем малых глубинах и перейти ко второй гармонической компоненте в ближнем и среднем диапазонах изображения. С увеличением ζ разделение по частоте между первой гармонической компонентой рассеянного сигнала 1-го порядка и шумом реверберации импульса увеличивается, при этом можно осуществлять скольжение фильтра приемника по частоте, а также увеличить его ширину полосы, как показано на чертеже, чтобы включить в частоту принимаемого сигнала компоненты первой гармонической полосы рассеянного сигнала 1-го порядка. Это обеспечивает большую амплитуду принимаемого сигнала, поскольку первые гармонические компоненты мощнее и менее ослаблены с глубиной, чем вторые гармонические компоненты, что также поддерживает чувствительность системы построения изображения для больших глубин. Значение В_ге может увеличиваться с глубиной, поскольку ширина первой гармонической полосы импульса увеличивается изза описанного сжатия длины импульса, а чтобы включить как первые, так и вторые гармонические компоненты для увеличения мощности сигнала, для глубоких диапазонов можно предусмотреть уменьшение ширины полосы для снижения шума приемника. Также в решетках преобразователей, в которых высокочастотный импульс скользит от отрицательного к положительному пространственному градиенту низкочастотного импульса, как это было описано выше, т.е. от сжатия импульса к его расширению, ширина полосы импульса уменьшается, что может быть сопоставимо с уменьшенным значением В_ге. Следует отметить, что шум реверберации импульса лежит в низкочастотном диапазоне, так что вместо полосового фильтра можно использовать фильтр верхних частот приемника, в котором частота отсечки скользит с ζ, чтобы включить в сигнал большую часть первой гармонической полосы, поддерживая сильное подавление шума реверберации импульса.

С помощью этого способа можно, таким образом, сохранить чувствительность первой гармоники для глубоких диапазонов с одновременным подавлением шума реверберации импульса, как при построении изображений с помощью второй гармоники, обеспечивая более глубокие изображения плотных объектов, таких как печень, почки, грудные железы и т.п., с более высокими частотами и лучшим разрешением. Уменьшение длины высокочастотного импульса за счет сжатия также улучшает разрешение диапазона в изображении, которое в известной степени ранее не наблюдалось. При решении профиля пучка, описанном выше, в котором фаза между низкочастотным и высокочастотным импульсами скользит с глубиной так, что высокочастотный импульс расширяется на больших глубинах, все еще возможно с помощью подходящего решения получить в достаточной степени разделенные шум реверберации импульса и рассеяние 1-го порядка в частотном пространстве, для того чтобы шум реверберации импульса мог быть в значительной степени подавлен с помощью фильтра приемника. Эта модификация указанного способа обеспечивает тем самым более глубокое проникновение, поддерживая высокие частоты для лучшей разрешающей способности в средней и близкой зоне. Следует, однако, отметить, что для некоторых применений преимуществом является использование второй гармонической полосы принимаемого сигнала во всем диапазоне изображения, чтобы получить наилучшее подавление шума реверберации им- 12 014167 пульса, а также наилучшее пространственное разрешение изображения.

Преимуществом сжатия импульса является, таким образом, улучшенная разрешающая способность диапазона при глубоких диапазонах благодаря сжатию длины импульса, а также возрастающие частоты второй гармоники при глубоких диапазонах, приводя к более узким пучкам и лучшей поперечной разрешающей способности. Улучшенное разделение между второй гармонической полосой и полосой шума реверберации импульса при глубоких диапазонах также улучшает подавление шума реверберации импульса по сравнению со стандартным получением изображения с помощью второй гармоники.

Принимаемый высокочастотный сигнал выделяют из общего рассеянного/излученного сигнала (также включая низкочастотные компоненты) путем фильтрации, например непосредственно в преобразователе приемника. Однако искажение нелинейного распространения компоненты низкочастотного импульса, как показано на фиг. 1а, создает гармонические компоненты низкочастотной полосы и с малым разделением между низкочастотной и высокочастотной полосами, причем эти гармонические компоненты могут создавать энергию из низкочастотного импульса в высокочастотной полосе. Такие гармонические компоненты могут быть удалены путем излучения низкочастотного импульса без высокочастотного импульса и помещения принятого сигнала в высокочастотную полосу. Принятый сигнал затем вычитают из принятых сигналов с высокочастотным импульсом, присутствующих в излученной группе импульсов. Эта процедура может быть использована также и с другими способами в соответствии с этим изобретением, чтобы уменьшить полученную энергию от излученного низкочастотного импульса в высокочастотной полосе.

Помещая высокочастотный импульс на положительный пик низкочастотного импульса излученной группы, можно уменьшить механический индекс (МИ) высокочастотного импульса (благодаря меньшей отрицательной амплитуде общей группы импульсов), что позволяет излучать высокочастотные сигналы с большими амплитудами. Это приводит к большему гармоническому искажению высокочастотного импульса, повышает чувствительность гармонического изображения с высокочастотным импульсом, поскольку фильтр приемника, описанный выше, выполнен для выбора гармонических полос высокочастотного импульса для подавления шума реверберации импульса.

Должно быть очевидно, что одно направление из каждого направления пучка может излучать более одной группы импульсов, представленных на фиг. 1, с последующей обработкой принятого сигнала от каждого импульса, как на фиг. 2, где указанные обработанные принятые сигналы используются с общеизвестной дальнейшей обработкой для создания сигналов для построения изображения, как, например, для структурных анатомических изображений, допплеровских изображений скорости движущихся центров рассеяния и всех сигналов, которые могут быть из них получены, а также частотного анализа по глубине/времени для характеризации центров рассеяния, и т.п., известного любому специалисту. 2Ό- и 30-изображения формируются поперечным сканированием пучком с возможными параллельно излученными и/или приятыми пучками. При этом не существует таких же ограничений на ширину излученного пучка, как с получением изображений с помощью второй гармоники, что позволяет использовать более широкие излученные пучки и более параллельные принятые пучки для более высокой частоты кадров 2Ό- и 3О-изображений, по сравнению с изображениями, полученными с помощью гармоник.

Способ сжатия импульса для высокочастотного импульса также полезен в случаях, в которых излучательная сила ультразвуковых импульсов используется для осуществления локального нажима на объект, например, для измерения сдвиговых деформаций, связанных с модулем сдвига объекта, или для улучшения прикрепления целевых пузырьков - контрастных веществ к выбранным тканям. С помощью настоящего способа можно увеличить разделение по частоте между осуществляющими нажим импульсами и импульсами для осуществления наблюдения путем помещения последних на отрицательный пространственный градиент низкочастотного импульса для увеличения приемной частоты импульсов для осуществления наблюдения. Осуществляющие нажим импульсы могут быть излучены как более длинные импульсы с нулевым низкочастотным импульсом или как последовательность коротких высокочастотных осуществляющих нажим импульсов, помещенных вблизи положительного пространственного градиента низкочастотного импульса для растягивания и преобразования с понижением частоты высокочастотных осуществляющих нажим импульсов. В обоих случаях импульсы для осуществления наблюдения приобретают более высокие частоты, нежели осуществляющие нажим импульсы, и могут быть излучены вскоре после или во время последовательности осуществляющих нажим импульсов, при этом разделение эхо-сигналов между осуществляющими нажим импульсами и импульсами для осуществления наблюдения осуществляют путем фильтрации в глубоком (быстром) временном пространстве, как было отмечено выше.

Во втором способе в соответствии с изобретением излучают две или более групп импульсов с частотными компонентами в низкочастотной и высокочастотной полосах, которые перекрываются во времени и в которых амплитуда, и/или фаза, и/или частота низкочастотных импульсов меняется от импульса к импульсу. Этот способ дает другой тип принимаемого сигнала с сильно подавленным шумом реверберации импульса, аналогично предыдущему способу в соответствии с изобретением, а также обеспечивает построение изображений нелинейных параметров рассеяния в объекте, в особенности получение изображений микрокальцификаций, пузырьков газа и областей, наполненных газом, а также дает численные

- 13 014167 нелинейные параметры рассеяния и распространения объекта.

Начнем описание этого способа со ссылки на фиг. За, на которой показан излученный импульс, состоящий из низкочастотной компоненты 301 и высокочастотной компоненты 302, причем высокочастотная компонента едет на положительном гребне низкочастотного импульса с амплитудой р₀. Высокочастотный импульс используют для построения изображения, а низкочастотный импульс удаляют путем фильтрации в приемнике. Поскольку эти два импульса распространяются через объект вместе, амплитуда низкочастотного импульса влияет на коэффициент рассеяния объекта для высокочастотных компонентов посредством нелинейного изменения в коэффициенте сжатия и плотности как

Член с нелинейным коэффициентом сжатия теперь в ~2β_η·2,5~25 раз больше, чем член с нелинейной плотностью, причем два этих члена обычно имеют противоположные знаки. Построение изображений с помощью высокочастотных импульсов с центральной частотой ω₁ дает, таким образом, полосовой фильтр в координате диапазона этого параметра в частотном диапазоне около 2Ε₁=2ω₁/ο, как было описано выше.

Далее, например, излучают 2-й импульс, как показано на фиг. 3Ь, где полярность низкочастотного импульса 303 обратная по сравнению с импульсом 301, тогда как высокочастотный импульс 304 занимает такое же временное положение в группе импульсов, что и импульс 302, изображенный на фиг. 3а, так что низкочастотная амплитуда в месте расположения высокочастотного импульса теперь равна -р₀. Поскольку нелинейный параметр рассеяния в уравнении (9) линеен по добавленному давлению, ±р₀, нелинейный рассеянный сигнал от высокочастотного импульса 304 на фиг. 3Ь имеет противоположный знак относительно нелинейного рассеянного сигнала от высокочастотного импульса 302, изображенного на фиг. 3 а. В то же самое время на линейный компонент высокочастотного рассеяния от объекта, как показано уравнением (2), не влияет низкочастотный импульс.

Из-за нелинейных изменений скорости распространения с давлением согласно уравнению (6) скорость распространения высокочастотного импульса будет изменяться между величинами, соответствующими импульсам, показанным на фиг. 3а и 3Ь, как Дс/с_0а=2в_пак_0ар₀. Обратно рассеянный сигнал от высокочастотных импульсов оказывается, таким образом, сдвинут по времени для положительных и отрицательных полярностей низкочастотных импульсов. Скорость с_0а распространения для мягких тканей, воды и нефтепродуктов имеет средние значения ~1,5 мм/мкс. Горные породы имеют примерно в 2 раза более высокие скорости. Время запаздывания обратно рассеянного сигнала от центра рассеяния на расстоянии г определяется как ί(τ) = е₀(г) + т(г) ^{ίο(Γ) = 2} & ^{= 10} где 8 - расстояние вдоль оси пучка;

1₀(г) - время запаздывания для р₀=0;

т(г) - добавленное нелинейное время запаздывания распространения из-за нелинейного управления скорости распространения высокочастотного импульса низкочастотным импульсом;

р₀ - амплитуда низкочастотного импульса в месте расположения высокочастотного импульса как функция глубины.

В дальнейшем будем называть т(г) временем запаздывания нелинейного распространения или задержкой нелинейного распространения.

У высокочастотного импульса также будет наблюдаться накапливающееся самоискажение, как было описано в отношении фиг. 1Ь, которое увеличивает гармонические полосы высокочастотного импульса для определенного расстояния, сменяющееся их уменьшением из-за поглощения высокочастотного импульса при более глубоких диапазонах. Благодаря низкой частоте импульса низкочастотной полосы (обычно 1/5-1/20 от высокой частоты) запаздывание нелинейного распространения, привнесенное низкочастотным импульсом, будет преобладающим для гораздо больших глубин. Множитель 2 в !₀(г) появляется из-за суммирования времени запаздывания распространения исходящего, излучаемого, импульса и времени запаздывания обратно рассеянного импульса. Низкочастотная компонента будет иметь достаточно высокую амплитуду, чтобы влиять на скорость распространения исходящего импульса, и, следовательно, этот множитель 2 отсутствует в т(г). Поскольку нелинейное управление временем запаздывания осуществляют на исходящем импульсе, это управление временем запаздывания одинаково для рассеянного сигнала во всех направлениях, а также и в прямом направлении, что является управлением скоростью прямого распространения, к которому вернемся в связи с описанием фиг. 9.

- 14 014167

Когда фазовые соотношения высокочастотных и низкочастотных компонентов практически постоянны вдоль пучка, это время сдвига будет монотонно меняться с локальной пространственной средней величиной в_пак_а, как показано на фиг. 4, на котором номер позиции 401 обозначает т₊(г), где высокочастотный импульс едет на положительном гребне низкочастотного импульса, а номер позиции 402 обозначает т_-(г), где высокочастотный импульс едет на отрицательной долине низкочастотного импульса. Величина τ_Σ(τ) обозначает разностную задержку между этими двумя импульсами и показана номером позиции 403.

Для амплитуды низкочастотного импульса р₀~1 МПа получаем Де/е_0а=в_пак_0ар₀~2· 10^-3, что для расстояния К=300Х₁=300е_0аТ₁, где Т₁=1/1₁ - период высокочастотного импульса, т.е. получаем добавленное время запаздывания τ(Κ) из уравнения (10), равное ~0,6Т₁, т.е. близко к периоду при центральной частоте высокочастотной полосы. Этот диапазон изображений типичен для построения медицинских ультразвуковых изображений, тогда как в воде можно иметь больший диапазон, а в геологических применениях максимальный диапазон для построения изображений может быть меньше этой величины.

Следует отметить, что разница в задержке нелинейного распространения для положительного и отрицательного низкочастотного импульса на фиг. 3 в два раза больше этой величины. Следовательно, даже с более низкими амплитудами р₀, например до р₀~50 кПа, получаем значительную задержку нелинейного распространения в соответствии с уравнением (10), которая должна быть скомпенсирована для адекватного выделения нелинейно рассеянного сигнала, как описано далее. Для построения изображений с помощью компьютерной томографии в проходящих пучках имеем распространение в одну сторону без уменьшения сигнала в процессе рассеяния, что обеспечивает по меньшей мере двойной диапазон построения изображений с помощью компьютерной томографии в проходящих пучках и, следовательно, двойную конечную величину задержки нелинейного распространения, к которой вернемся в связи с описанием фиг. 9.

Теперь опишем, как изобретение устанавливает сигналы изображения путем нелинейного управления низкочастотным импульсом параметрами рассеяния и распространения объекта для высокочастотного импульса в соответствии со вторым способом изобретения. Сначала исследуем случай получения изображений с помощью обратного рассеяния, причем х_к(1) обозначим принятый обратно рассеянный сигнал от излученного импульса с номером к, см. примеры на фиг. 5. Время 1 отражает глубину центров рассеяния и обозначено как быстрое время, тогда как номер к координаты импульса измеряет более медленные изменения в объекте и обозначается как координата медленного времени. Скорость выборки вдоль координаты медленного времени является частотой следования импульса 1_рг(=1/Т_рг£, где Т_рг£ - временной интервал между излученными импульсами и обычно выбирается немного большим, чем время Т_тах, необходимое для получения рассеянного сигнала с самого глубокого диапазона запаздывания изображения. Для построения медицинских изображений Т_тах~300Т₁, тогда как для построения изображений в воде получаем большие значения, а для построения геологических изображений обычно получаются более низкие значения Т_тах. На чертеже схематически проиллюстрированы принятые сигналы для пяти выборок медленного времени 501-505 как функция быстрого времени. Сигналы изменяются как функция координаты медленного времени за счет следующих эффектов:

изменения в р_0к низкочастотного импульса как функции от к. В некоторых случаях согласно изобретению амплитуда низкочастотного импульса р_0к~(-1)^к. Это приводит к изменению принятого сигнала в координате медленного времени для фиксированного 1, вызванному нелинейным рассеянием и распространением с частотой медленного времени ~Г_рг£/2, как описано далее;

перемещение между центрами рассеяния и решеткой преобразователей в направлении диапазона высокочастотного пучка. Это приводит к допплеровскому сдвигу принятого сигнала в координате медленного времени для фиксированного 1;

перемещение между центрами рассеяния и решеткой преобразователей в направлении, поперечном направлению пучка.

Это явление может, к примеру, наблюдаться при механическом сканировании в поперечном направлении к направлению акустического пучка или при перемещении центров рассеяния, таких как сердечная стенка или протекающая нефть, что приводит к расширению частоты сигнала вдоль координаты медленного времени.

Математическая модель обратно рассеянной первой гармонической полосы высокочастотного сигнала х_к(1), где низкочастотный импульс переключает полярность между излученными импульсами, т.е. р_0к~(-1)^к, а центры рассеяния при этом перемещаются, может быть записана как

где ш_а=-2ш1О_г/е₀ - средний допплеровский сдвиг для центров рассеяния, перемещающихся со средней радиальной скоростью υ_Γ от преобразователя в каждой ячейке диапазона вдоль пучка;

величина и_1к(1) - комплексная огибающая линейного обратно рассеянного сигнала;

и_пк(1) - комплексная огибающая нелинейного обратно рассеянного сигнала от высокочастотного импульса с номером к с положительной амплитудой р₀ низкочастотного импульса.

- 15 014167

Огибающие изменяются с номером координаты к импульса, поскольку центры рассеяния и пучок перемещаются относительно друг друга, а центры рассеяния могут перемещаться с разными скоростями в пределах ячейки диапазона, причем оба эффекта приводят к расширению частоты сигнала в координате медленного времени. Величина τ(ΐ) - запаздывание нелинейного распространения как функция координаты быстрого диапазона-времени для положительной амплитуды низкочастотного импульса. Для простоты использовали аналитическую форму принятого сигнала, где физический радиочастотный акустический сигнал -¹.

Аналитический сигнал может быть получен из физического сигнала как

где Н{} обозначает преобразование Гильберта сигнала;

х_к°^/о(1) представляет собой комплексную огибающую сигнала.

Вторая гармоническая полоса может быть представлена формулой, похожей на уравнение (11), где угловая частота 2ω₁, допплеровская частота 2ω,|. а нелинейный рассеянный сигнал очень мал и им можно пренебречь, кроме случая рассеяния от микропузырьков. Вторая гармоническая полоса подавила шум реверберации импульса, который может помочь в определении задержки нелинейного распространения, к чему вернемся в отношении уравнения (21).

Переключение нелинейной задержки, (-1)^кт(1) между импульсами наиболее сильно проявляется в фазе, поскольку переключение фазы равно (-1)^кш₁т(1), по сравнению с переключением огибающих 1-(-1)^кт(1), так как ширина полосы сигнала ограничена. Для наблюдения влияния переключения запаздывания на огибающие разделим огибающие на четную и нечетную функции около ΐ, что позволяет выразить комплексную огибающую принятого сигнала как

440 = {(Ч(ОЩ)) + (-1)‘(4(<,т(«)) + ^т) +^и<!к(1 - т)} д = 1,п ^иэк(А ^г) = Н^и<*(* + ^т) - - т)} (12) где верхний индекс е обозначает четные компоненты, а верхний индекс о обозначает нечетные компоненты по τ около ΐ.

Четные компоненты не изменяются при смене знака τ, тогда как нечетные компоненты изменяют знак. Следует отметить, что (-1)^к=ехр{1пк}=ехр{1кТ_рг(ю_рг£/2}, где ω_ρι£=2π/Τ_ρΓ£ представляет собой угловую частоту следования импульса и, следовательно, угловую частоту выборки в координатах медленного времени. Введя это выражение, уравнение (12) может быть далее выражено как

4°(0 = | (“№ - ^ипк) СО8Ш1Г(1) зюацтД)

С ' * ' ' ² > ' (13) + < («ή* - А) совогИ -г(и‘_1к - зтодДЦ с в

Для фиксированного быстрого времени ΐ сигнал в координате к медленного времени состоит из 4 компонентов (частотных линий), как показано на фиг. 6а, на котором номер позиции 601 изображает частотную линию А, равную (иУ-иА) •со^уДЦе¹''¹'¹'¹”''¹; центрированную около среднего допплеровского сдвига ω4, номер позиции 602 изображает частотную линию В, равную -ί(πΧ-Η^οΠτ8ίηωιτ(ΐ^^{1(ωά+ωρΓ£/2)Τρι£}\ центрированную около ω4+ωρΓ£/2, номер позиции 603 изображает частотную линию С, равную (и^епк-и^о1к) ·οοδω1τ(ΐ) е¹^^²^^, центрированную около ωά+ω_ρι£/2, и номер позиции 604 изображает частотную линию Ό, равную -1(и^епк-и^о1к) ·δίηωιτ(ΐ^^{ιω<Πρι£}\ центрированную около ω_ά.

Линии получают путем смешивания линейного и нелинейного рассеяния с переключением задержки нелинейного распространения, (-1^τ(ΐ) между импульсами. При отсутствии переключения нелинейной задержки, т.е. при τ=0, нечетные компоненты обращаются в нуль, а четные компоненты равны изначальным огибающим. Линии 602 и 604 исчезают, а вся линейно рассеянная мощность содержится в линии 601, центрированной около ω_ά, тогда как нелинейно рассеянная мощность содержится в линии 603, центрированной около ω₄+ω_ρΓ£/2.

- 16 014167

Эффект переключения задержки нелинейного распространения наиболее сильно сказывается на фазе сигнала из-за ограниченной ширины полосы сигнала, поскольку это приводит к смещению частоты со сдвигом ω_ρΓ(/2. Он также приводит к смещению частоты со сдвигом ω_ρΓ(/2 путем участия в огибающих !-(-1)^кт(!) через нечетные компоненты огибающих для линейного рассеяния, и°1к(!), и нелинейного рассеяния, и°пк(!), тогда как переключение задержки огибающей не обнаруживает эффекта сдвига частоты на четные компоненты огибающих. Сдвиг задержки в фазе приводит к сдвигу части линейно рассеянной мощности от линии, центрированной около ω4, к линии 602, центрированной около ω3+ωρΓ(/2, представленной четной компонентой и1к^е. Совместное переключение в фазе и огибающей сдвигает часть мощности от центрированной около ωά к центрированной около ω_ά+ω_ριΐ/2 и обратно к центрированной около ω_ά как часть линии 604, представленной нечетной компонентой и_1к°. Аналогично, переключение нелинейной задержки сдвигает часть нелинейно рассеянной мощности от линии 603 к линии 604 через переключение фазы, представленой четной компонентой и^е _пк, тогда как совместное переключение в фазе и огибающей сдвигает часть мощности от центрированной около ω_ά+ω_ρΓί/2 к центрированной около ω_ά и обратно к центрированной около ω₃+ω_ρΓί/2 как часть линии 602, представленной нечетной компонентой и°_пк.

Заметим, что с увеличением τ амплитуда линии 601 падает ~С05О|Т(1). а амплитуда линии 602 возрастает ~δίηω₁τ(1) и достигает максимума, когда ω₁τ(ί)=π/2, что также дает нуль для линии 601. Это означает, что значительная часть линейно рассеянной мощности путем переключения задержки в фазе уходит от центрирования около ω_ά к центрированию около ω_ά+ω_ριΐ/2, но некоторая часть линейно рассеянной мощности через нечетные компоненты и_1к(!) примешивается обратно с центрированием около ω_ά как часть линии 604. Такой же эффект наблюдается для нелинейного рассеяния, в котором с увеличением τ амплитуда линии 603 падает ~С08<Л1Т(!), а амплитуда линии 604 возрастает ~δίηω₁τ(1) и достигает максимума, когда часть нелинейно рассеянной мощности путем переключения задержки в фазе уходит от центрирования около ω_ά+ω_ρΓί/2 к центрированию около ω_ά, но некоторая часть нелинейно рассеянной мощности через нечетные компоненты и_пк(!) примешивается обратно с центрированием около ω₃+ω_ρΓ(/2 как часть линии 602.

Если ячейка диапазона также покрывает движущуюся кровь или другие текучие среды, такие как нефть, то результатом линейного рассеяния от движущейся текучей среды будут дополнительные и обычно более широкие спектры, в которых мощность распределена между линией 605 с начальными допплеровскими сдвигами ω₃=-2ωιυ_Γ/^ где υ_Γ - распределение скорости текучей среды, и линией 606 с частотами ω_ά+ω_ρΓί/2. Смешивание сигнала от текучей среды с переключением задержки нелинейного распространения подчиняется тем же законам, что и для линейного рассеяния от объекта в линиях 601 и 602. Однако нелинейное рассеяние от текучей среды настолько слабо, что исчезает в шуме.

Модель сигнала в уравнениях (11)-(13) включает только рассеянный сигнал первого порядка, в которой исходящий высокочастотный импульс следует за низкочастотным импульсом. С учетом многократного рассеяния, называемого также реверберациями, исходящего высокочастотного импульса, в этой модели получаем некоторые модификации многократно рассеянного сигнала. Амплитуда низкочастотного рассеянного импульса низкая и, следовательно, влиянием его нелинейной задержки на скорость распространения рассеянного высокочастотного импульса, уравнения (6), (10), можно пренебречь. Это особенно важно для реверберации исходящего импульса в стенке тела, где фиг. 7а показывает пример структуры решетки 701 преобразователей и отражателей стенки тела. Номер позиции 702 показывает сильный отражатель спереди решетки. Излученный импульс следует по пути, отмеченному номером позиции 703, на котором при первом попадании в отражатель 702 импульс частично проходит дальше как 704, а частично отражается как 705. Отраженный импульс затем опять отражается от поверхности преобразователя или других сильных отражателей для создания отраженного импульса 706, который снова частично проходит дальше и частично отражается и т. д.

Отраженный изначальный импульс от более глубокого отражателя 707 показан номером позиции 708 на фиг. 7Ь для положительного низкочастотного импульса и номером позиции 709 для отрицательного низкочастотного импульса, причем эти импульсы имеют разную задержку, определяемую изменениями в задержке нелинейного распространения согласно уравнению (10). Дважды отраженный от рефлектора 702 импульс показан номером позиции 710 для положительного низкочастотного импульса. После первого отражения от 702 амплитуды импульсов уменьшаются, при этом уменьшение амплитуды низкочастотного импульса снижает управление временем запаздывания для импульсов реверберации в соответствии с уравнением (10), по сравнению с прямо распространяющимся импульсом. Дважды отраженный от рефлектора 702 импульс для отрицательного низкочастотного импульса будет, следовательно, лишь незначительно отличаться по задержке от 710, и поэтому он показан на чертеже как 711, перекрывающимся с 710. Реверберации импульса исходящего импульса в стенке тела будут, следовательно, наблюдаться как частотная линия, центрированная около ω=0, показанная как точечно-пунктирная линия 607 на фиг. 6а, где также показана линия смешанной задержки, центрированная около ω_ρΓ(/2, имеющая очень малую амплитуду.

Авторы изобретения теперь в состоянии описать и обсудить, как несколько новых параметров изо- 17 014167 бражения могут быть выделены из прошедших и рассеянных акустических сигналов в соответствии со вторым способом изобретения, чтобы сформировать новые акустические изображения структур объекта и скоростей центров рассеяния улучшенного качества. Выделение этих параметров может быть продемонстрировано, основываясь на принятой последовательности х_к(1) сигналов.

Первый сигнал изображения, выделенный в соответствии со вторым способом изобретения, основан на рассеянном сигнале с коррекцией реверберации, полученный путем полосовой фильтрации принятой последовательности в области медленного времени около ω_ρΓί/2, как, например, показано полосовым фильтром 610 на фиг. 6а. Этот фильтр сильно ослабляет линию 607 реверберации и выделяет линии 602 и 603, в которых компоненты линейного рассеяния являются доминирующими по сравнению с компонентами нелинейного рассеяния. Путем объединения принятых высокочастотных сигналов, например в фильтре, который ослабляет низкочастотные компоненты медленного времени, пропуская, однако, компоненты медленного времени в полосе, как в традиционном допплеровском методе построения изображений, можно получить группу линейно рассеянных сигналов с коррекцией реверберации

Амплитуды этих сигналов монотонно возрастают с τ.

Путем выбора адекватной частоты низкочастотного поля (например, ω₀~ω₁/10) можно получить очень низкое ослабление поглощения низкочастотного поля в пределах диапазона изображения, которое незначительно меняется между разными объектами и отдельными предметами в заданных диапазонах глубины. Можно, таким образом, задать низкочастотное поле и амплитуду импульса так, чтобы получить монотонное возрастание τ(ΐ), как на фиг. 4, чтобы, в свою очередь, получить монотонно возрастающую, изменяющуюся с глубиной функцию выигрыша при обработке сигналов для линейного рассеяния с коррекцией реверберации, показанную номером позиции 712 на фиг. 7с.

Задавая низкочастотное поле так, что ω^(1^)=^2, где Т_тах - максимальный диапазон-время, получаем в Т_тах кривую усиления, близкую к максимуму. Эта изменяющаяся с глубиной функция выигрыша при обработке сигналов вместе с контролируемым пользователем изменяющимся с глубиной усилением принимает участие в устройствах построения акустического изображения, снижая необходимость вмешательства пользователя в управление глубиной усиления. Перемещения объекта, такого как миокард, может привести к допплеровским сдвигам, которые могут пройти сквозь фильтр вместе с компонентами в уравнении (14). Это может быть преимуществом, поскольку шум реверберации импульса неподвижной стенки тела сильно ослаблен, перемещение способствует сигналу 1-го порядка от структур объектов проходу сквозь фильтр, улучшая тем самым качество изображения, например, апикальной области сердца. Выходы с фильтра будут также содержать нелинейно рассеянные компоненты линий 602 и 603, а именно

которые имеют максимум для τ=0 и убывают с глубиной при возрастании τ.

Однако нелинейно рассеянные компоненты сигнала в уравнении (15) будут пренебрежимо малы по сравнению с линейно рассеянными компонентами сигнала в уравнении (14).

Сигналы после полосового фильтра могут быть использованы для дальнейшей допплеровской обработки для создания допплеровских спектров и радиальных допплеровских линий изображения скоростей центров рассеяния в соответствии с известными способами, в которых полное 2Ό- или 3Όизображение создают поперечным качанием пучка. Этот способ особенно полезен для допплеровской оценки смещений миокарда и деформаций смещения (радиального градиента смещения), поскольку шум реверберации сильно мешает таким оценкам. Для измерения скорости текучей среды следует отметить, что сигнал помех объекта в уравнении (14) находится около ω_ρΓ(/2, и для того, чтобы подавить помехи объекта для оценки сигнала текучей среды, следует использовать либо полосовой задерживающий фильтр в медленном времени около ω_ρΓ(/2, либо смещать сигнал по частоте от ω_ρΓ(/2 до ω=0 и использовать при этом стандартный фильтр подавления помех верхних частот перед определением допплеровских частот сигнала текучей среды.

Можно использовать несколько различных и перекрывающихся направлений пучков для каждого к, например, как получено непрерывным качанием пучка с помощью кольцевой решетки. Можно также затем использовать БИХ-фильтр для фильтрации в медленном времени (полосовой, нижних частот, верхних частот), где фильтр нижних частот проиллюстрирован в уравнении (77) для аналогичной обработки.

- 18 014167

Первый сигнал в соответствии со вторым способом изобретения для использования в радиальной линии изображения для усиления линейного обратного рассеяния с подавлением ревербераций импульса может, таким образом, быть получен как огибающая одного из сигналов ζ аДг) = Епу{з1(2г/с)} ζι(ί) = (16)

А:

где Εην{} представляет собой оператор огибающей;

г=е1/2 - диапазон глубины вдоль пучка, при этом формула для ζ₁(ΐ) - пример полосовой комбинации, как в уравнении (19).

Полное 2Ό- или 3О-изображение затем получают поперечным сканированием пучков.

Реверберации импульса уменьшаются благодаря накапливающемуся влиянию управления нелинейной скоростью распространения на давление, т. е. тем же эффектом, который формирует гармоническое искажение в прямо распространяющемся импульсе, который используется в получении гармонических изображений. Однако в настоящем способе нелинейное распространение создают низкочастотным импульсом с таким низким поглощением, что чувствительность этого способа аналогична чувствительности для 1-го гармонического построения изображения. Этот факт позволяет использовать более высокие частоты изображения, чем в случае со 2-м гармоническим построением изображения, с улучшенным разрешением, и в особенности позволяет получать лучшие изображения на глубоких диапазонах в плотных объектах, таких как печень, почки и грудные железы.

Поскольку излученный пучок в этом способе представляет собой 1-й гармонический пучок, в нем легче получить более широкий излученный пучок, чем в случае со 2-м гармоническим излученным пучком. Это позволяет использовать параллельные принимаемые пучки для увеличения частоты кадров с построением 3Ό акустических изображений.

Для разделения компонентов нелинейного рассеяния и компонентов линейного рассеяния нужно правильно организовать задержку (компенсацию временного сдвига) принятых сигналов, так что смешение частотного сдвига переключения задержки нелинейного распространения исчезает для линейного сигнала, и линия 602 исчезает, при этом остается только линия 603 нелинейного рассеяния в полосе около ω_ρΓ(/2. Коррекция задержки зависит от амплитуд и/или от фаз низкочастотных импульсов относительно высокочастотных импульсов и, кроме того, также изменяется с глубиной согласно уравнению (10) и фиг. 4.

В соответствии с одним аспектом изобретения можно оценить коррекции задержки путем максимизации мощности сигнала

К-1 = (¹⁷) к=0

Обычно не существует реперного сигнала, так что для определения коррекций задержки нужно использовать один из сигналов в качестве реперного, при этом коррекция задержки для этого сигнала становится равной нулю. Следовательно, можно определить только к-1 независимых коррекций задержки в соответствии со способами, описанными ниже. Сумма представляет собой низкочастотный фильтр в области медленного времени с частотной передаточной функцией

НДи) = (1₈)

З1п πω/ω_ρΓ/

Можно также использовать другие варианты низкочастотных фильтров, например, обозначенных номером позиции 611 на фиг. 6Ь. Этого, например, можно достичь путем введения различного веса ш_к в сумму уравнения (17) в качестве КИХ-фильтра, но также в соответствии с известными способами может быть использован БИХ-фильтр, особенно в случае непрерывного качания пучка, как и с кольцевой решеткой.

Коррекции задержки т_к(1) вносят смешение частот, что перемещает всю линейно рассеянную мощность в линию 621 на фиг. 6Ь, центрированную около ω=0, поскольку коррекции задержки в уравнении (17) также удаляют допплеровское отклонение ω₄, как описано ниже. Смешение частот коррекций задержки также перемещает нелинейно рассеянную мощность в линию 622, центрированную около ω=ω_ριί/2.

Нелинейно рассеянный сигнал может, следовательно, быть получен после коррекций задержки в виде л'1

4с(0 = Σ О + ?*(*)) (19)

Л=0 где суммирование представляет собой полосовой пропускающий фильтр около ω_ρΓί/2, который, например, при 11(1)=1 принимает вид

Η_η(ω) = ^5]η соз Ίΐω/ω^ι тогда как другие значения для 11(1)=1 приводят к модификации этого фильтра, например фильтра, обо- 19 014167 значенного номером позиции 610 на фиг. 6Ь.

Линейная комбинация в уравнениях (17) и (19) дает один выходной сигнал в области медленного времени, при этом специалисту очевидно, как изменить уравнения как КИХ- или БИХ-фильтры, которые создают последовательность выходных сигналов в области медленного времени аналогично тому, как описано в связи с уравнениями (14) и (16). В этом случае такие последовательности сигналов в области медленного времени используют для дальнейшей допплеровской обработки сигналов в области медленного времени для формирования изображений допплеровской скорости или деформации смещения или скорости деформации центров рассеяния объектов и текучей среды в соответствии с известными способами.

Для оценки коррекций задержки можно в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения разделить принимаемый интервал Т времени/глубины на более короткие временные интервалы {Т₁, ί=1, ..., I}, которые с вероятностью перекрываются, так что Т<Е;Т₁, и определить оптимальные коррекции задержки для каждого интервала Т₁ по отдельности. Мощность сигнала ζι(ΐ) в интервале Т₁ тогда дается функционалом

Чи-/_т/ч’_с^)² = £_м/г1’(7-₁₍-т_г^ &к1 ~ Ък) = /_Τι (ί + Т_1к)х> (ί + 7^) а коррекции задержки определяют путем максимизации 1₁₁ по отношению к τ_ιρ.

Примеры процедур максимизации даны ниже.

Нелинейное самоискажение высокочастотного импульса, описанное на фиг. 1 в отношении уравнения (6), приводит к падению гармонического преобразования в первой гармонической высокочастотной полосе с расстоянием распространения. Это падение преобразования слегка различается для отрицательных р0 и положительных ρ0, приводя к небольшой разнице в амплитуде линейно рассеянного от объекта 1-го гармонического высокочастотного сигнала для положительных и отрицательных ρ₀. Кроме того, неточности в излучающих усилителях создают трудности в излучении точно заданных амплитуд, создавая неточности в амплитуде принятых сигналов. Для улучшенного подавления линейно рассеянного высокочастотного сигнала в уравнении (19) можно организовать возможность изменения ИЧ) от к, так что мощность сигнала ζ_ηο(ΐ) сведена к минимуму в каждом интервале Т₁. Такие величины Ис могут, например, быть найдены путем минимизации мощности в ζ_ηο(ΐ) в каждом интервале по отношению к И_к, после корректировки задержки сигналов. Это сводится к минимизации следующего функционала:

Чгг — /т, ^— Λ 221; ку. ~ 221,,/ Κι/ΐιΐΝΐί — Τ_ιΛ) — А, 22

- Ък) = (-1)^к+1я£(т_гг - Τ_ιλ;)

Примеры процедур минимизации даны в уравнениях (55)-(58). Изменения в величинах И_к также ответственны за изменения в амплитудах излучения высокочастотных компонентов, когда амплитуда и/или полярность, и/или фаза, и/или частота низкочастотного импульса изменяется от одного излученного импульса к другому. Задержки τ_ιρ можно затем очень просто получить путем максимизации 1_к, тогда как И_к получают путем минимизации Ι_ηι.

Максимизация дает оценку средней коррекции задержки для каждого интервала Т₁. Для наилучшей коррекции в соответствии с уравнением (17) следует придать значения этих оценок задержки точке внутри соответствующих интервалов Т₁ и получить интерполированные оценки коррекции задержки т_к в каждой точке выборки быстрого времени ΐ между выбранными точками. Выбранными точками могут быть, например, середины интервалов или центр тяжести мощности в принятых сигналах в соответствующих интервалах или аналогичные точки. Могут быть использованы несколько методов интерполяции, такие как линейная интерполяция, сплайн-интерполяция любой степени и Фурье-интерполяция.

Линейно рассеянный от объекта сигнал, показанный линиями 605 и 606 на фиг. 6а, в процессе коррекции задержки перемещается в линию 623, показанную на фиг. 6Ь, таким же образом, как и линейно рассеянный сигнал от текучей среды, после чего указанный сигнал может быть обработан в соответствии с хорошо известными способами допплеровской обработки сигналов. Для сигнала реверберации в линии 607 смешение частоты в коррекциях задержки приводит к распространению энергии в линию 624, центрированную на -<вд, и в линию 625, центрированную на ω_ρΓί/2-ω₄. Шум реверберации будет, таким образом, вносить ошибки в оценку коррекций задержки нелинейного распространения максимизацией 1_к в уравнении (21), а смешение частотных сдвигов коррекций задержки вносит шум реверберации в той же частотной полосе медленного времени, что и нелинейное рассеяние после коррекций задержки (линия 625), и, следовательно, вносит шум в оценку сигнала нелинейного рассеяния, например, в соответствии с уравнением (19). На сигналы изображения, описанные в уравнениях (24)-(30) ниже, будет тем самым больше влиять шум реверберации импульса, чем сигнал изображения, основанный на уравнениях (14) и (16).

- 20 014167

Со ссылкой на обсуждение в связи с фиг. 1 и 2 должно быть очевидно, что можно использовать не только первую гармоническую полосу принятого сигнала, но и другие полосы, в частности вторую гармоническую полосу, что видно из анализа уравнений (14)-(22). Вторая гармоническая полоса, главным образом, формируется прямым самоискажением импульса, показанным номером позиции 104 на фиг. 1, который локально рассеивается как линейно, так и нелинейно, как показано в уравнении (9). Поскольку самоискажение мало в многократно рассеянных импульсах, вторая гармоническая полоса принятых высокочастотных сигналов будет обладать значительным подавлением шума реверберации, как описано в отношении фиг. 2. При сильном шуме реверберации для определения задержек нелинейного распространения можно преимущественно использовать вторые гармонические компоненты обратно рассеянных сигналов в уравнении (21). Использование второй гармонической полосы для сигнала в уравнениях (14) и (16) приводит к дополнительному подавлению шума реверберации импульса, в особенности когда один из многочисленных центров рассеяния движется. Использование второй гармонической полосы в уравнении (19) дает вторую гармоническую полосу локального нелинейно рассеянного сигнала. Можно также использовать вторую гармоническую полосу для определения задержек нелинейного распространения, а затем применить коррекции задержки к первой гармонической полосе принятого сигнала для определения первой гармонической полосы нелинейно рассеянного сигнала, как и выше. Способы, описанные в патентах США № 6485423 и 6905465, также могут быть полезны при использовании совместно с настоящим изобретением для уменьшения влияния ревербераций импульса на определение нелинейных задержек.

Далее будет показан третий, уравнения (42)-(44), и четвертый, уравнения (45)-(48), способы в соответствии с изобретением, в которых эффект шума реверберации импульса подавляют непосредственно при определении задержек распространения. До того как описывать эти способы, следует показать, как можно выделить многочисленные сигналы параметров изображения с помощью второго-четвертого способов изобретения.

Максимизация Ц по ζ_1ο, как описано уравнением (17), вносит коррекции задержки как для времени запаздывания нелинейного распространения, так и для среднего допплеровского времени запаздывания, вызванного смещением объекта/преобразователя во временном интервале Т₁. Причиной этого является то, что суммирующий фильтр, описываемый уравнениями (17) и (18), имеет частотный отклик медленного времени с максимумом в ω=0, а максимум 1₁₁ достигается, когда вся линейная энергия сдвинута и центрирована около ω=0. При использовании фильтра нижних частот медленного времени с плоским откликом около ω=0 и сильным ослаблением около ω-ρΓΓ/2 можно получить максимум 1₁₁, при котором имеются только задержки нелинейного распространения, а линейно рассеянная энергия линий 602 и 603 сдвинута в пропускающую полосу фильтра, без поправок на допплеровскую задержку. Однако такой фильтр трудно выполнить с ограниченным числом импульсов медленного времени, используемых для каждой радиальной линии изображения, и, следовательно, можно получить наиболее грубую оценку, используя фильтр нижних частот с выраженным максимумом при ω=0. Оценка коррекции задержки тогда будет представлять собой общую задержку распространения как сумму задержки нелинейного распространения и средних допплеровских задержек смещения (т.е. допплеровской задержки) относительного перемещения центров рассеяния объекта и преобразователя.

Как было отмечено в связи с уравнением (17), можно определить К-1 задержек нелинейного распространения, т. е. на одно меньше, чем число сигналов. С тремя сигналами или более чем с тремя сигналами точное определение коррекций задержки для сигнала, смоделированного уравнениями (11)-(13), и фильтра с максимальным частотным откликом при ω=0 дает коррекции задержки, свободные от ошибок, как полные задержки распространения, которые являются суммой задержек нелинейного распространения и допплеровских задержек ^тк(1) = (-1)4(() + = (-1)4(() + кт_а (23) где т_а=2у_г(1)Т_ргГ/с представляет собой допплеровскую задержку смещения из-за радиального смещения у_г(1)Т_ргГ центра рассеяния между излученными группами импульсов.

Допплеровский фазовый сдвиг и допплеровская частота могут быть найдены из

а) 0л(() = -^1(^(()+^-6())/2 = —(2к - 1Ц1Т-_й/2

б) = {0л(() — Фа,к-1(В}/Трг/ = = — 2Ш11>Д()/с

Эта допплеровская оценка интересна при определении радиального смещения (из фазы в уравнении (24а)) и скорости (из угловой частоты в уравнении (24Ь)) объектов, например миокарда, а также радиальной деформации смещения и скорости деформации в качестве радиального градиента радиального смещения и скоростей центров рассеяния. Для определения допплеровских сдвигов центров рассеяния в шуме помех, как кровь или другие текучие среды, можно сначала использовать фильтр подавления помех верхних частот перед допплеровскими коррекциями, как описано в отношении фиг. 12 и известно из уровня техники. Определение деформации смещения центров рассеяния вдоль радиального направления пучка может быть получено из производной фцк(О по быстрому времени. Аналогично можно получить оценку радиальной скорости деформации центров рассеяния из производной фцк(О по быстрому времени.

- 21 014167

Задержку нелинейного распространения находят как τ(ί) = {^(ί) _ (ί) }/2{—1)* -(25)

Поскольку определение т_1к содержит ошибки, можно уменьшить ошибку определения путем усреднения уравнений (24) и (25) по нескольким соседним значениям к. При поперечном перемещении центров рассеяния или при быстром механическом качании акустического пучка может иметь место характерное изменение г;,_к от к благодаря обмену структур объекта в пучке от импульса к импульсу, причем для усреднения следует ограничить число (к) импульсов.

Поскольку р₀(г) может быть определено из предварительных измерений благодаря низкому поглощению низкочастотного импульса, из задержек нелинейного распространения можно определить первый численный нелинейный параметр изображения, представляющий собой свойства нелинейного прямого распространения в материале. Инкремент в коррекциях задержки между соседними интервалами Т₁ представляет собой параметр нелинейного прямого распространения, который может быть записан в виде Τι ⁼ ~1.,к П—1,к ~ βηια^ιαΡο^ (26) где β_ηια и к_1а представляют собой пространственные средние по диапазонному интервалу, соответствующему Т_;; а р_01к - средняя амплитуда низкочастотной компоненты в том же диапазонном интервале, соответствующая излученному импульсу с номером к.

Первый численный нелинейный параметр/сигнал изображения (параметр изображения нелинейного распространения) затем получают из уравнения (26) как

Второй сигнал изображения, который используют для построения изображений в соответствии с изобретением, представляет собой огибающую а_пс(г) нелинейно рассеянного сигнала х_||с(2г/с) в уравнении (19). Эта огибающая соотносится с параметрами нелинейного рассеяния материала как й„_е(г) = Епу{г_пс(2г/е)} ~ ^²Ц.(г)ро(г)С(г)ехр { - 2/, ά₈μ{₈)} (28) где ν_η(τ) - полоса пропускания, фильтрованная около 2к₁, как обсуждалось в связи с уравнениями (2) и (9), и усредненная в поперечном направлении вместе с амплитудой р₀ низкочастотного импульса поперек профиля высокочастотного пучка для диапазона г.

Экспоненциальный член описывает ослабление поглощения высокочастотного акустического импульса в объекте и компенсируется регулируемой пользователем компенсацией С(т) усиления времени/глубины в акустическом устройстве.

Поглощающий множитель может быть найден путем сравнения а_пс(г) с огибающей 3-го сигнала изображения, линейно рассеянного сигнала, /|_с(1) в уравнении (17) после коррекций задержки, которая соотносится с параметрами линейного рассеяния и акустического поглощения в объекте как

где \'|(г) - полоса пропускания, фильтрованная около 2_к1 и усредненная в поперечном направлении поперек профиля высокочастотного пучка для диапазона г, как обсуждалось выше.

Когда р₀(г) известно, например, путем вычислений или измерений, как было описано выше, можно объединить сигналы в уравнениях (28) и (29), чтобы получить 2-й численный нелинейный параметр/сигнал изображения, численный параметр/сигнал нелинейного рассеяния объекта как , _ч «ПС(г) У_п{г) ^П3 а_1с(г)ро(т) ц(г)

Откорректированный временной сдвиг содержит тогда информацию распространения о величине в_п1ак_1а, усредненной по локальному интервалу Т₁, тогда как сигнал х_||с(1) нелинейного рассеяния содержит информацию о локальных, пространственных флуктуациях величины β_η« в интервале Т₁. Можно также использовать интерполированные значения т_1к вдоль быстрого времени до т_к(1), с учетом того, что уравнения (26) и (27) представляют собой производную вдоль выборок быстрого времени для получения более гладкого варианта пр(1) нелинейного параметра пр, изображения. Аналогично, значения пр, можно приписать точкам внутри интервалов Т; и интерполировать значения между этими точками для построения изображения аналогично, как описано выше для интерполяции задержки распространения.

Способы снижения реверберации импульса, как описано в связи с фиг. 2 и уравнением (14), полезны совместно со способами определения коррекций для аберрации волнового фронта, например, как описано в патентах США № 6485423, 6905465 и заявки на патент США № 10/894387, для снижения негативного влияния шума реверберации на определение коррекции аберрации. Для коррекции аберрации можно использовать решетку акустических преобразователей с двумерным распределением элементов, при этом коррекции применяют к сигналу каждого элемента перед окончательным суммированием в формирователе пучка либо во многих случаях можно объединить сигналы от соседних элементов в сиг

- 22 014167 налы субапертуры, в которых коррекции аберрации применены к сигналам субапертуры перед окончательным суммированием пучка, а не непосредственно к сигналам отдельных элементов. Наилучшие результаты в определении коррекций аберрации получают, когда подавление шума реверберации импульса применяют ко всем сигналам элемента (или субапертуры) перед определением коррекций аберрации, причем это подавление может быть также применено к суммированному сигналу пучка, поскольку влияния ревербераций импульса снижены при корреляции между сигналами элементов и суммированным сигналом пучка, как описано в указанных выше патентах.

Представляя пространственное изменение акустической скорости распространения в виде с_0а(г)=с₀+Дс_0а(г), где с₀ - постоянная скорость распространения, принятая ~1,54 мм-мкс при расчете задержек формирователя пучка согласно предположению однородного материала, можно аппроксимировать задержку аберрации волнового фронта как (31) где г - вектор положения элемента на поверхности решетки, фактического элемента или субапертуры;

г_Г - вектор положения фокуса пучка и

Г(г, г_Г) - путь луча от центра г элемента до фокуса г_Г.

Для корректировки аберраций волнового фронта для элементов, расположенных в г, следует организовать задержку излученных импульсов для излученного пучка и принятых сигналов для принятого пучка с коррекцией задержки т_сог(г)=-т_аЬ(г), как описано в патенте США № 6485423.

Существует сильная корреляция между изменениями плотности и коэффициента сжатия в разных материалах, что согласно уравнению (3) также говорит о корреляции между изменениями в коэффициенте сжатия и в скорости распространения как ~ — 0с(ур_г(т) — Τΐρ_ανΑ (32)

Со где в_с - коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментально, причем следует заметить, что в_пак_а=пр - численный параметр нелинейного распространения в уравнении (27), который теперь определен для каждого сигнала элемента или субапертуры, в зависимости от положения г на поверхности решетки.

Параметры β_η0κ0 и пр_ауд - пространственно усредненные параметры для всех элементов и интервалов задержки. Подставляя это выражение в уравнение (31), получаем приблизительную оценку для коррекций аберрации в виде

Таб(г) у Σ ^т*(«я(с) - пр_а„_я) (33) где последняя сумма независима от г.

Эта оценка также может быть использована как начальная оценка для процедур, описанных в приведенных выше патентах и заявках на патент.

Изменение пр₁(г) с г главным образом возникает из-за распространения через стенку тела, и, поскольку именно изменения параметра т_аЬ(г) с положением элемента или субапертуры в г создают аберрации, можно получить хорошие результаты путем суммирования для интервалов ί в уравнении (33) лишь слегка за стенку тела. В этой области близкого поля можно создать такое низкочастотное поле, что р₀(§) приблизительно постоянно в стенке тела для каждого элемента, так что этот член можно вынести за пределы интеграла для т(г) в уравнении (10). Таким образом, видно, что можно сопоставить задержки коррекции аберрации непосредственно с задержками нелинейного распространения за стенкой тела и вычесть пространственно усредненное значение т(г), т.е. τ_3νκ, по всем элементам, а именно ₍₃₄₎ т(г) = - /_ГЬДб) ^^^ηα(ί)κοα(3)ρ_ο(5) где р_ауд(г) - пространственно усредненное значение низкочастотного поля р₀(§) вдоль пути распространения Г(г, К_ь), начиная от положения ^элемента через стенку тела толщиной К_ь.

Как отмечено выше, задержки нелинейного распространения с помощью второго способа могут быть определены исходя из второй гармонической полосы принятых сигналов для уменьшения ошибок, вызванных шумом реверберации импульса. В третьем и четвертом способах, представленных ниже, в соответствии с изобретением шума реверберации импульса избегают непосредственно при обработке сигналов, тогда как в практических случаях использование второй гармонической полосы улучшает точность с помощью этих способов.

Из уравнения (8) видно, что из производной центральной частоты принятого высокочастотного сигнала можно оценить локальный коэффициент поглощения а(г) как функцию диапазона г. Однако при отсутствии сжатия импульса скольжение частоты вниз может привести к тому, что преобразователь приемника будет ограничивать ширину полосы принимаемого сигнала. Следовательно, путем использования

- 23 014167 сжатия импульса в уравнении (7) так, что оно компенсирует скольжение частоты вниз из-за поглощения, можно поместить принимаемый сигнал в середину полосы преобразователя приемника, чтобы избежать отсечки ширины полосы сигнала снизу из-за ограничений полосы преобразователя приемника, обеспечивая возможность определения локального поглощения мощности из измерений принятой центральной частоты высокочастотного сигнала и задержек т(г) нелинейного распространения, как определено в уравнении (10). Параметр т(г) оценивают, например, согласно второму способу, описанному выше, или согласно третьему или четвертому способам, описанным ниже, в дополнение к излучению группы импульсов, как на фиг. 1, где высокочастотный импульс помещают вблизи максимального пространственного градиента низкочастотного импульса.

Со ссылкой на обсуждение в связи с уравнениями (7) и (8) в этом последнем случае получаем сжатие длины высокочастотного импульса, равное 6λι=-β_ηί1κ₀3ρ₀₀^₀λι₀ρο(Γ)/ρ₀₀6_Γ на расстоянии распространения бг, где р₀(г) - локальная амплитуда низкочастотного импульса, включая изменения, связанные со сходимостью/расходимостью пучка и небольшим поглощением; р₀₀ и к₀₀ - соответственно амплитуда и волновое число низкочастотного импульса на поверхности решетки; а λ₁₀ - высокочастотная длина волны на поверхности решетки. Принятая центральная частота высокочастотного сигнала соотносится с длиной волны как Γ₁(Γ)=ο_0α/λ₁(Γ), что дает

6£1=-£1²/^α6λ1-0,36Β1²(Γ)α(Γ)6Γ=βηαΚ0α^0λ10ρ0(Γ)Γ1²6Γ/^_ΕΙ-0,36Β1²(Γ)α(Γ)6Γ.

Ширина полосы импульса соотносится к длине А импульса как В1=с_0а/К.1. Согласно рассуждениям, приведенным выше, длина импульса сжимается на расстоянии бг распространения как

6Η·-βι._:κ ,_:ρ к.Н-ρ (Γ)/ρ бг, где Κι₀ - длина импульса на поверхности решетки.

Преобразование вниз по частоте из-за поглощения сохраняет ширину полосы сигнала и дает

6Β -Β /с ,_:б1В β к ρ к .к ρ (ιίΒ ' бг/с .

В результате этого анализа получаем следующие дифференциальные уравнения для ί и Βι

а) ⁼ Λ«α«οα*(»λι_Ορο(·τ)^ - 0,36В^(г)а(г) ⁼ Р^оаРоокаоК1оРо(г)^ (35)

Уравнение (35) может быть проинтегрировано непосредственно, что позволяет определить локальный коэффициент поглощения из измеренной задержки т(г) нелинейного распространения, его градиент и градиент центральной высокой частоты ί (г) как

где т(г) дано в уравнении (10);

61/61-=^(1-)^(1-^0(1-)/^(1-) и К10В10=с_Ов(0) и к с ,_:(0) ω , центральной угловой частоты низкочастотного импульса.

Путем регулировки амплитуды низкочастотного импульса можно избежать модуляции принятого высокочастотного сигнала краями высокочастотной приемной полосы так, что уравнение (35Ь) выполняется, что позволяет его интегрирование в уравнение (36Ь), что, в свою очередь, позволяет определить а(г) из уравнений (35а) и (36а).

Нелинейный параметр β_η становится очень мал для твердых материалов, как и коэффициент сжатия к. Таким образом, в частности, на границах между мягкими и более твердыми материалами, например тканями с высокой плотностью соединительных волокнистых молекул, кальцификациями или другими материалами с высокой плотностью, нелинейное рассеяние становится очень сильным. Аналогично получают сильное нелинейное рассеяние на границах в более мягкие материалы, такие как жир, пенистые клетки, и особенно микропузырьки газа в ткани, где нелинейное рассеяние еще больше усиливается, как описано ниже. Это же верно и для границы между твердой горной породой и текучей средой или газом в геологических структурах, плавательным пузырем у рыб или легких у морских животных в воде, мин в земле или на мягком дне моря и т. д. Нелинейное изображение усиливает, следовательно, визуализацию таких структур. Изобретение, таким образом, полезно для визуализации микрокальцификаций в мягкой ткани, например для построения изображений опухолей в грудной железе и других тканях или атеросклеротической бляшки, которые трудно наблюдать с помощью существующих акустических способов построения изображения. Кроме того, при менее резких изменениях в коэффициенте сжатия материала, а именно когда податливость уменьшается с ростом соединительной ткани или когда податливость увеличивается с ростом жировых или пенистых клеток, нелинейные параметры, определенные этими способами, дают увеличенный контраст изображения для изменений в ткани по сравнению с существующими способами построения изображений. Параметры изображения, представленные в уравнениях (27) и (30), позволяют получить численные оценки изменений в ткани.

- 24 014167

Для пузырьков газа, которые либо естественным образом присутствуют в объекте в виде углеводородов, или декомпрессионные пузырьки при погружении, либо вводятся в объект в виде ультразвукового контрастного вещества, динамика их рассеяния описывается дифференциальным уравнением, которое дает резонансное рассеяние с зависящим от частоты запаздыванием по фазе между падающей и рассеянной волной, совершенно противоположно рассеянию от текучей среды или твердых объектов, где изменение запаздывания по фазе с частотой очень мало. Низкочастотный импульс управляет диаметром микропузырьков (малый диаметр при положительном р0 и большой диаметр при отрицательном р0), а следовательно, и резонансной частотой микропузырька. Это, в свою очередь, управляет запаздыванием по фазе рассеянного сигнала для высокочастотного импульса в дополнение к амплитуде рассеянного сигнала. Управление особенно сильно для высокочастотных импульсов вблизи резонансной частоты микропузырьков, как описано в заявке на патент США № 10/851820, поданной 21 мая 2004 г.

Скорректированный нелинейный сигнал ζ_ηο(ΐ), например, в соответствии с уравнением (19) будет содержать почти всю высокочастотную рассеянную мощность от пузырьков - контрастного вещества (как линейные, так и нелинейные компоненты). Для рассеивающего объекта, который содержит микропузырьки газа, настоящее изобретение, таким образом, значительно увеличивает ΟΝΚ (отношение контраста к шуму) по сравнению с существующими способами построения изображений таких пузырьков путем выделения почти всей рассеянной мощности высокочастотного сигнала из микропузырьков (в особенности сильные линейные компоненты, а не только нелинейные компоненты). Коррекции для переключения низкочастотным импульсом задержек нелинейного распространения обеспечивают подавление линейно рассеянной мощности от объекта, приводя к большому СОК (отношение контраста к объекту). Способ, таким образом, разделяет эффекты нелинейного прямого распространения и локального нелинейного рассеяния и использует локальное управление изменением частотой фазы рассеянного от пузырьков газа сигнала для получения сильного локального сигнала от пузырьков газа с сильным подавлением локального сигнала от объекта.

Это отличается от существующих способов построения изображений при помощи контрастных веществ, в которых нелинейное распространение приводит к накапливаемому влиянию на прямо распространяющийся импульс, которое, к тому же, усиливает линейное рассеяние от ткани в процессе детектирования так, что этот линейный сигнал от ткани маскирует сигнал от микропузырьков (а также и нелинейно рассеянный сигнал от ткани). Аналогичные эффекты имеют место при детектировании пузырьков газа за облаком пузырьков газа в геологических структурах и объектов за стаей рыб с плавательными пузырями или морских животных с легкими.

Когда импульс проходит сквозь облако пузырьков газа (также сквозь плавательные пузыри), в них создается увеличенное, накапливаемое запаздывание нелинейного распространения для прямо распространяющегося импульса, а также нелинейное изменение в амплитуде импульса, явление, которое подчеркивает необходимость корректировки задержек нелинейного распространения и изменений в амплитуде импульса для получения хорошего подавления линейно рассеянного сигнала от объекта вне облака. Настоящее изобретение, таким образом, имеет явное преимущество перед известными способами построения изображения с помощью микропузырьков. Например, в гармоническом способе построения изображений увеличенное, накапливаемое гармоническое искажение для импульса, что проходит через облако микропузырьков, проявляет себя как сильные гармонические компоненты в линейном рассеянии от ткани вне облака. Это, например, может привести к сильному гармоническому рассеянию от миокарда для импульса, который прошел через облако контрастного вещества в желудочке сердца, маскируя рассеянный сигнал от контрастного вещества - микропузырьков в миокарде. Этот эффект может ошибочно указать на кровообращение в области миокарда с очень низкой перфузией или с ее отсутствием, а также указывать на газ в геологической структуре без газа. С помощью настоящего способа для рассеяния от миокарда за облаком исключают влияние облака микропузырьков в желудочке сердца на прямо распространяющийся импульс путем коррекции задержек нелинейного распространения. Изобретение разделяет локальное нелинейное рассеяние и накапливаемый эффект нелинейного прямого распространения и, следовательно, препятствует тому, что измерение локального нелинейного рассеяния приведет к таким ошибочным указаниям на отсутствие микропузырьков в миокарде.

Относительно нелинейных гармонических способов построения изображений настоящее изобретение может использовать более широкополосный излучаемый импульс, и, следовательно, можно достичь более высокой разрешающей способности диапазона изображения. Кроме того, могут быть использованы более высокие частоты для построения изображений, в результате чего наблюдается значительное увеличение разрешения по сравнению с другими способами построения изображений пузырьков газа как в направлении диапазона, так и в поперечном направлении. Режим работы настоящего изобретения менее чувствителен к амплитуде импульсов, использующихся для построения изображений, по сравнению с гармоническими способами построения изображений. Вместе с указанным подавлением принятого линейно рассеянного сигнала с результирующим увеличением СОК это облегчает неразрушающее детектирование и построение изображений с высоким разрешением отдельных пузырьков - контрастного вещества с низким механическим индексом (МИ).

- 25 014167

В медицинских применениях построение изображений повышенной чувствительности и высокого разрешения ультразвукового контрастного вещества имеет большую перспективу в получении изображений изменений в микрососудистой системе, например при неоангиогенезе или некрозе в опухолях или при сниженном кровообращении в миокарде, где были разработаны некоторые стандартные способы использования времени заполнения контрастным агентом. Численные параметры в уравнениях (27) и (30) дают количественную информацию о плотности контрастного вещества в ткани и, следовательно, обеспечивают улучшенные данные об относительном объеме микрососудистой системы. Способы также имеют применения в оценке относительного объема газа в геологических структурах, плотности и размерах рыбы с плавательным пузырем и морских животных с легкими. Путем разрушения контрастного вещества - пузырьков в некоторой области и измерения времени заполнения можно согласно известным правилам получить численные значения кровообращения в ткани. Построение изображений контрастного вещества высокой чувствительности и высокого разрешения также полезно, чтобы проследить за выделением лимфы для нахождения сигнальных лимфоузлов при хирургическом удалении опухолей.

Поскольку уравнения (27) и (30) дают параметры изображения, которые не зависят от поглощения в объекте, можно использовать эти параметры объекта для характеризации объекта (например, содержание жира или соединительной ткани в мягкой ткани, содержание нефти, газа или воды в пористой горной породе или количество и размер рыбы или морских животных). Кроме того, можно определить локальные изменения скорости распространения с температурой, основываясь на экспериментах, для наблюдения за изменениями температуры ткани при термическом лечении больной ткани, например, посредством фокусированного ультразвука высокой мощности (ФУВМ) (НГЕИ), радиочастотной абляции или криохирургии. Температура может быть отслежена по изменениям в численных параметрах, а также по изменениям в скорости распространения, которые являются причиной времени запаздывания между обратно рассеянными сигналами от изображения к изображению по мере изменения температуры. Радиальные градиенты этого времени запаздывания и определяют локальную температуру.

Поскольку низкочастотный импульс не влияет на локальное линейное рассеяние высокочастотного импульса, подразумевается, что изменения амплитуды, и/или фазы, и/или частоты низкочастотных компонентов в излучаемых импульсах, но не тех, что показаны на фиг. 3, могут привести к аналогичному результату в подавлении ревербераций импульса от ближнего источника для получения линейно рассеянного сигнала со сниженным шумом реверберации и в подавлении линейного обратного рассеяния для получения нелинейно рассеянного сигнала, как отмечено выше. Например, низкочастотная составляющая 2-го импульса на фиг. 3Ь может отсутствовать или высокочастотные импульсы не обязательно должны ехать точно на положительном гребне или отрицательной впадине низкочастотных импульсов. Эта универсальность важна, так как фаза между двумя частотными импульсами может возникать из-за дифракции или рассогласованности излучательных поверхностей решеток преобразователей, поскольку низкочастотные и высокочастотные компоненты меняются с расстоянием распространения вдоль пучка.

Низкочастотные и высокочастотные полосы излученных импульсов часто так широко отстоят друг от друга, что иногда предпочитают использовать разделенные решетки преобразователей для излучения двух полос импульса. Такие решетки могут быть выполнены в виде концентрических колец с разными резонансными частотами, в которых пучки от решеток автоматически перекрываются, или же решетки могут быть установлены бок о бок с пересечением пучков под острым углом.

Когда используют две разные решетки для низкочастотных и высокочастотных компонентов с пучками, которые перекрываются под острым углом, фазовые соотношения между низкочастотными и высокочастотными импульсами могут иметь сильную пространственную зависимость, в зависимости от геометрического расположения и размеров поверхностей двух излучающих решеток. Иллюстративное расположение раздельных низкочастотных и высокочастотных решеток преобразователей, излучающих вдоль ζ-оси, в соответствии с изобретением показано на фиг. 8а, на котором номер позиции 801 обозначает высокочастотную решетку, а номер позиции 802 обозначает низкочастотную решетку, состоящую из двух частей на каждой стороне высокочастотной решетки. Чертеж может, например, показывать поперечное сечение линейного или криволинейного расположения решетки, где у-ось - вертикальная ось, перпендикулярная азимутальной плоскости сканирования, т.е. χ-ζ-плоскости, перпендикулярной ν-ζ-плоскости. Чертеж может также показывать поперечное сечение расположения кольцевой решетки с ζ-осью в качестве излучающей оси, где номер позиции 801 обозначает поперечное сечение высокочастотной кольцевой решетки, а номер позиции 802 обозначает поперечное сечение низкочастотного кольцевого элемента. Как линейное, так и кольцевое расположения проявляют разные задержки распространения для низкочастотных и высокочастотных решеток, которые следует должным образом принять во внимание при разработке решетки и обработки сигнала, чтобы использовать все преимущество основных физических эффектов, лежащих в основе изобретения.

Границы иллюстративного низкочастотного пучка показаны номером позиции 803, тогда как границы высокочастотного пучка показаны номером позиции 804. Следует отметить, что имеется ближняя зона 805 спереди решетки, где имеется ограниченное перекрывание между низкочастотным и высокочастотным пучками, приводя тем самым к особенно сильному подавлению стенкой тела ревербераций исходящего импульса, с помощью способов, описанных в связи с уравнениями (14) и (16) и фиг. 7.

- 26 014167 (37)

Также отметим, что расстояние распространения от низкочастотной решетки до центра рассеяния, находящегося вблизи ζ-оси, гораздо больше для низкочастотного импульса, чем для высокочастотного импульса, в зависимости от геометрических размеров низкочастотной и высокочастотной решеток. Аксиальное низкочастотное поле в точке 806 на оси ζ и с угловой частотой ω₀=ο1<₀ будет равно

О- / Л η „ ηΐ(Ζ)Ειι — —--= йе^-1*⁰ («ι.^^+^ν^)/²⁵¹¹¹^⁰)^»^ ^{+ д}го(^г))/² рр_и где Рц - излучаемое давление на поверхности решетки;

Κΐο(ζ) - расстояние 807 от наружного края низкочастотной решетки до точки 806 на ζ-оси; а

Κ.ι,(ζ) - расстояние 808 от внутреннего края низкочастотной решетки до точки 806.

Фазовый член представляет собой среднее запаздывание распространения

где τ₁(ζ) представляет собой запаздывание распространения от низкочастотной решетки до точки 806;

τι,(ζ) представляет собой запаздывание распространения от высокочастотной решетки до точки 806; Κ_|ο(ζ) - расстояние 809 от наружного края высокочастотной решетки до точки 806.

Кроме запаздывания фазы распространения, также будет наблюдаться изменение знака члена с синусом в уравнении (37), как часть фазы члена Н₁(г), которая меняется скачками в ±π при прохождении нуля в этом члене с синусом. Номером позиции 810 на фиг. 8Ь показана разница в запаздывании фазы между низкочастотным полем и запаздыванием распространения высокочастотного поля, которая может быть выражена как

Δθ/ζ} = ί ~ ^оЛ(г) (39) как функция от ζ для типичной геометрии с высокочастотной апертурой Он=7 мм и с внутренними и наружными частями низкочастотной апертуры соответственно Ό₁₁=10 мм и Ό_1ο=15 мм.

Резкое падение запаздывания фазы на π в точке 811 (ζ ~6,6 мм) происходит, когда разностная фаза распространения Δθ₁(ζ)=ω₀(Κ₁₁(ζ)+Κ_1ο(ζ))/2ο₀ между наружным и внутренним краями низкочастотной решетки проходит через нуль, что приводит к изменению знака члена с синусом в уравнении (37) с -1 на +1. Амплитуда низкочастотного поля Η₁(ζ) показана не в масштабе в логарифмических единицах номером позиции 812, при этом надо заметить, что нуль амплитуды совпадает со сдвигом на π в фазе. Нули поля могут быть найдены, когда разница в запаздывании фазы распространения от наружных и внутренних краев решетки к точке поля есть нечетное число π, что дает скачок на π в выражении для Δθ1(ζ).

Для сравнения номером позиции 813 показана разность в фазе распространения между низкочастотными и высокочастотными решетками, равная

Δφιίζ) = шо(т_г(г) - -тф)) (40)

Следует заметить, что Δθ₁(ζ) повторяет Δφ₁(ζ) до скачка в -π в точке 811 и повторяет это запаздывание с разницей π после этого. Из-за большого и зависящего от ζ запаздывания фазы распространения между низкочастотными и высокочастотными решетками получаем зависящее от ζ относительное положение между высокочастотными и низкочастотными импульсами. Так, например, высокочастотный импульс, который обычно начинается на верхнем гребне низкочастотного импульса, в ситуации, показанной номером позиции 814, скользит к нижней впадине низкочастотного импульса, в ситуации, показанной номером позиции 815, в которой запаздывание фазы Δθ₁(ζ) изменилось на π, и т.д.

Подставляя давление

Ро(«) = совДб¹^) (41) в уравнение (10), откуда вместе с β_η=5, к_0а=400· 10^-12-1, с_0а=1540 м/с и Р_1£=50 кПа, получаем запаздывание нелинейного распространения, показанное номером позиции 816 на фиг. 8с.

Так как запаздывание фазы Δθ1(ζ) (810) изменяется на несколько π вдоль оси ζ, как показано на фиг. 8Ь, получаем сильно осциллирующую задержку нелинейного распространения, показанную номером позиции 816, с максимальной задержкой, равной т_тах=2 нс. Если не скорректировать правильно задержку для этой задержки нелинейного распространения, получаем максимальное подавление линейного обратно рассеянного сигнала, равное 28ш(<Э1Т_тах)—18 дБ для Г₁=10 МГц.

Для построения изображения контрастного вещества обычно используют более высокое низкочастотное давление р₀, например р₀~200 кПа, которое даст т_тах=8 нс в примере выше и уменьшит подавление линейно рассеянного высокочастотного сигнала на 28ш(<Э1Т_тах)—6 дБ для £1=10 МГц даже при большом скольжении фазового соотношения между высокочастотными и низкочастотными компонентами, как получается в этом примере. Следовательно, амплитуда 50 кПа для низкочастотного давления слишком мала, но может в особых случаях обеспечить интересные изображения контрастного вещества и других микропузырьков газа. Таким образом, можно в некоторой степени усилить сигнал от контрастного вещества без поправок на задержки нелинейного распространения при условии, что решетки выполнены

- 27 014167 так, что присутствует осциллирующее изменение задержек нелинейного распространения, как и в случае 816. Надо отметить, что, когда высокочастотный импульс находится вблизи нуля в низкочастотном колебании, эффекты нелинейного рассеяния и прямого распространения малы. Этого эффекта можно избежать путем использования разных фаз между низкочастотными и высокочастотными компонентами в последовательных излучаемых импульсах, что сдвигает пространственное положение, в котором высокочастотный импульс находится вблизи нуля низкочастотных колебаний. Нули в амплитуде |Ηι(δ)| низкочастотного поля могут быть сдвинуты в пространстве путем изменения низкочастотного центра между последовательными излучаемыми импульсами. Кроме того, благодаря ширине высокочастотного пучка сигнал получают и снаружи оси, где |Η₁(§)|^0, а импульс состоит из частотной полосы, которая усредняет нулевые точки для многих частот. Нулей амплитуды можно избежать путем уменьшения ширины низкочастотной решетки, что, однако, также снизит отношение амплитуды давления к управляющему напряжению решетки.

Однако для того чтобы выделить нелинейное рассеяние от других объектов, таких как микрокальцификации в мягкой ткани и газ в пористой горной породе, и получить численные параметры объектов, необходимо использовать более высокие низкочастотные амплитуды, при которых корректировка задержек нелинейного распространения становится обязательной для подавления линейного рассеяния и выделения нелинейного рассеяния. Это также является случаем для использования способа подавления шума реверберации импульса, как описано в отношении фиг. 7. Кроме того, с более слабым осциллирующим изменением задержек нелинейного распространения имеется сильное преимущество корректировки задержек для обнаружения микропузырьков газа даже с малой амплитудой низкочастотного импульса.

Часто выбирают такую конструкцию низкочастотных и высокочастотных излучающих апертур, чтобы получить минимальное скольжение задержки между низкочастотными и высокочастотными импульсами исходя из максимизации нелинейного управления параметрами рассеяния и распространения для высокочастотного импульса вдоль всего диапазона изображения. Это необходимо для получения монотонного увеличения задержки нелинейного распространения, как показано на фиг. 4. Чтобы избежать π-сдвиг фазы в 810 (и соответствующего нуля амплитуды), следует использовать меньшую ширину низкочастотных элементов (т.е. меньшую разницу между Я_1о и Я₁₁), а чтобы снизить скольжение фазы между низкочастотными и высокочастотными импульсами, следует подтянуть низкочастотную излучающую поверхность как можно ближе и даже может быть с перекрыванием высокочастотной излучающей поверхности. Однако для многих применений можно смириться с осциллирующим поведением задержек нелинейного распространения и даже использовать этот факт для получения низких задержек нелинейного распространения, как на фиг. 7с, или сменить сжатие длины импульса для ближнего и среднего полей на растяжение длины импульса для глубоких диапазонов, чтобы снизить частоту и улучшить чувствительность, как описано в отношении фиг. 2.

Чтобы снизить влияние шума реверберации импульса на оценку коррекций для задержек нелинейного распространения, а также в нелинейно рассеянном сигнале, можно в третьем способе в соответствии с изобретением излучить больше двух импульсов более чем с двумя разными амплитудами, и/или фазами, и/или частотами низкочастотного импульса. В качестве первого примера согласно изобретению, в котором отсутствует перемещение между центрами рассеяния и решеткой преобразователей (т.е. нулевое допплеровское смещение), излучают низкочастотные импульсы с амплитудами р₀, 0, -р₀, в которых высокочастотный импульс следует близко к гребню или впадине низкочастотного импульса, как, например, показано на фиг. 3а и 3Ь. Принятые высокочастотные сигналы от трех импульсов в интервале Т₁ могут быть записаны как

2/ι(ί) = χι(ί + η) + х_п(1 + τ.) + τ(ί) у₂(1) = χι(ί) + τ(ί) (42) =Χι(ί- ч) - χ_η(ί - Τί) + ί·(ΐ) где χ₁(ΐ) - линейно рассеянный сигнал;

χ_Π(ΐ) - нелинейно рассеянный сигнал с амплитудой р₀ низкочастотного импульса;

т(1) - сигнал реверберации для высокочастотного импульса и

-τ₁, - задержка нелинейного распространения для высокочастотного импульса, когда тот передается на положительном гребне с давлением р0 низкочастотного импульса.

Согласно одному варианту выполнения изобретения формируем комбинацию из этих трех сигналов в виде (ί) = Уг(9 -У1(Й = Яь(£, ч) - + Τ;) ζ₂(ΐ) = Уз(1) - й(*) = ~ Ч, ч) “ “ ч) где х_ъ(1, τ₁)=χ₁(ΐ)-χ₁(ΐ+τ₁) представляет собой комбинацию линейно рассеянных сигналов.

- 28 014167

Эти комбинации исключили из ζι(ΐ) и ζ₂(ΐ) шум реверберации импульса, и, поскольку амплитуда нелинейно рассеянного сигнала гораздо ниже амплитуды линейно рассеянного сигнала, имеем приблизительно ζ₂(ΐ)=ζι(ΐ-τ₁), и, следовательно, для интервала Т[1 можно определить коррекцию задержки τ₁ путем максимизации следующего функционала:

Л = [ (//^(/-гЦ+ г₂(/)|² (44) /т, относительно τ₁.

Когда τ₁ определено, можно вычислить компоненты сигналов линейного и нелинейного рассеяния из уравнения (43), например, путем Фурье-преобразования уравнения (43) в быстром времени, которое приводит к системе линейных уравнений по Χι.(ω) и Χ_η(ω).

Сущность проведенной выше операции заключается в том, что три или более импульсов с тремя или более уровнями управления задержками нелинейного распространения позволяют скомбинировать измерения для получения по меньшей мере двух сигналов, в которых шум реверберации импульса в значительной степени подавлен, причем эти новые сигналы могут быть использованы для определения коррекций задержки. В описанной операции разница в амплитуде соседних низкочастотных импульсов должна быть постоянной, обеспечивая задержку нелинейного распространения для каждого сигнала, которая является целым кратным одной задержки. При постоянном во времени радиальном перемещении между решеткой преобразователей и центрами рассеяния, при котором имеется постоянная допплеровская задержка между принятыми сигналами для каждого импульса, также имеется четвертая неизвестная величина, которую нужно определить, что, в свою очередь, требует излучения по меньшей мере четырех импульсов с разными амплитудами низкочастотного импульса, или же могут быть использованы 5 импульсов с 3 амплитудами низкочастотного импульса, как в уравнении (42), в котором путем максимизации мощности сигнала, таким же образом, как и в уравнениях (21) и (44), определяют комбинированную задержку нелинейного распространения и допплеровскую задержку. Задержка нелинейного распространения и допплеровская задержка могут быть разделены посредством операций, как в уравнениях (24) и (25), в которых детали этих и подобных операций могут быть отработаны в соответствии с изобретением любым специалистом в этой области техники.

Тем не менее, сама величина τ₁ должна быть определена из комбинаций, наподобие уравнения (44), или из их эквивалентов в форме преобразования Фурье, и, поскольку ζ1 и ζ2 содержат как линейно рассеянный, так и нелинейно рассеянный сигнал, последний вносит, хотя и очень незначительную, ошибку в определение коррекции задержки, что, в свою очередь, вносит ошибку в оценку нелинейно рассеянного сигнала тем же самым образом, что и оценки, даваемые уравнениями (17)-(22).

Основная причина этой ошибки заключается в том, что для неподвижных объектов имеется четыре неизвестных:

линейное рассеяние χ/ΐ);

нелинейное рассеяние χ_η(ΐ);

шум реверберации импульса г(1);

задержка τ(ΐ) нелинейного прямого распространения (т.е. неподвижные объекты при отсутствии допплеровской задержки).

Так как τ(ΐ) медленно изменяется с ΐ, можно считать эту величину приблизительно постоянной во временном интервале Т₁, как было показано выше. Для более точного определения всех четырех неизвестных надо выполнить по меньшей мере четыре измерения с четырьмя уровнями давления +р0, +р0/3, -р₀/3 и -р₀ низкочастотного импульса, чтобы получить

2/1(0 = яД/ + Т_г) + ЙГ„(/ + 7,) + г(/)

1/2(0 = Χιίί + Τ,/3) + |т„(/ + 7,/3) + г(0 (45)

Уз(0 =^/(/- л/З) - \х_п(1 - г./З) + г(0

2/4(0 = ж_г(/ - 7,) — Χ_η(ί — 7,) + 7(/)

Затем можно исключить г(1), как и в уравнении (43), чтобы получить три сигнала ζ₂(ΐ), ζ₂(ΐ) и ζ₃(ΐ) и определить τ₁ для синхронизации этих сигналов с максимизацией функционала, аналогичного функционалу в уравнении (44). Влияние χ_η(ΐ) на оценку τ₁ будет меньше, чем в случае трех измерений, но ошибка, которую вносят измерения, все равно не будет полностью исключена.

Лучший подход в соответствии с четвертым способом изобретения, который устраняет влияние χ_η(ΐ) на определение τ₁, получают при преобразовании Фурье уравнения (45) на интервале Т₁, где τ(ΐ) может быть аппроксимирована постоянной τ₁, которая обеспечивает переопределенную систему линейных уравнений в виде

Υ(ω) = Λ(ωτ,)Χ(ω) (46) где Υ(ω)^Τ={Υ1(ω), Υ₂(ω), Υ3(ω),Υ4(ω)};

Χ(ω)^τ={Χι(ω), Χ_π(ω), Κ(ω)}, а

Α(ωτ₁) - матрица размером 4x3, полученная из преобразования Фурье уравнения (43) в соответствии

- 29 014167 с известными способами.

С помощью такой переопределенной системы можно найти Х(ш), которая обеспечивает лучшее приближение с точки зрения метода наименьших квадратов, используя псевдообратную матрицу матрицы Ά(ωτ₁) как

где Α^Η(ωτ₁) - эрмитово транспонированная матрица матрицы Ά(ωτ₁).

Теперь τ₁ может быть определена из условия минимизации ошибки при применении метода наименьших квадратов ίΚ(ω) = Υ - Α(ωτ,)Χ⁷» = - А(огг.)(А^я(шт,)А(шт_г)) ’а^шт.^УЯ (48) относительно τ₁, который часто называют методом полных наименьших квадратов.

Этот метод обеспечивает систематическую процедуру использования по меньшей мере четырех измерений по меньшей мере с четырьмя уровнями низкочастотного импульса для определения всех четырех неизвестных, в особенности запаздывания нелинейного распространения с сильно уменьшенным влиянием ревербераций импульса и нелинейного сигнала, хотя во многих случаях способы, описанные в отношении уравнений (17)-(22) и (42)-(45), обеспечивают адекватные результаты. Надо также отметить, что амплитуда низкочастотных импульсов может быть задана произвольной, так что нелинейные задержки для разных импульсов могут быть заданы в виде τ;=^τ, где к₁ - отношение низкочастотных амплитуд к контрольному значению, а τ - задержка нелинейного распространения с этим контрольным значением, которое определяют согласно процедуре, описанной выше.

Также подчеркнем, что способы в соответствии с этой структурой обеспечивают оценку линейно и нелинейно рассеянных сигналов (а также шума реверберации импульса) с минимальным влиянием на это шума реверберации импульса и, в принципе, полное разделение определения линейно и нелинейно рассеянных сигналов. В этом способе необходимо, следовательно, использовать определенный сигнал х1(1), который представляет собой первый сигнал изображения от линейного рассеяния с сильным подавлением шума реверберации импульса, как в уравнении (14) во втором способе, и третий сигнал изображения линейного рассеяния, как в уравнении (29), тогда как определенный сигнал х_п{1) представляет собой второй сигнал изображения от нелинейного рассеяния, как в уравнениях (19) и (28), при этом оба эти сигнала используют в дальнейшем при расчете второго численного параметра нелинейного рассеяния в уравнении (30), в котором определенную нелинейную задержку τ используют для определения первого численного нелинейного параметра в уравнении (27).

Можно, как и в предыдущих способах, добавить постоянную допплеровскую задержку τ,ι между принятыми сигналами для каждой излученной группы импульсов, что также дает 5 неизвестных, а именно Χ₁(ω), Χ_η(ω), Κ(ω), τ и τ₄. Эти неизвестные могут быть определены из принятых сигналов от пяти излученных групп импульсов, например с амплитудами (+р0, +р0/2, 0, -р0/2, -р0) низкочастотных импульсов и той же самой амплитуды высокочастотного импульса, путем минимизации δΥ в уравнении (48).

Приведенные выше рассуждения в общих чертах описывают, как справляться даже с более сложными случаями, когда необходимо определить большее количество неизвестных. Например, могут существовать неопределенности в амплитудах излученных низкочастотных импульсов, например в виде +р0, +а1р₀/3, -а₂р₀/3, -а₃р₀ для уравнения (45), где вектор а=(а_ь а₂, а₃) представляет собой неизвестные изменения в амплитудах. Эти неопределенности влияют как на амплитуду нелинейного рассеяния, так и на задержки в уравнении (45); надо заметить, что при этом получаем семь неизвестных, а именно Χ₁(ω), Χ_η(ω), Κ(ω), τ, И1, а₂ и а₃, что означает, что у нас недостаточно уравнений, полученных из измерений, для адекватного определения τ при минимизации δΥ в уравнении (48). Следовательно, необходимо добавить новые, более тщательные измерения, так что число неопределенностей в амплитуде минимизировано. Например, путем тщательных измерений можно получить только одну неопределенную амплитуду а с пятью излученными импульсами при амплитудах низкочастотного импульса, равных (+р₀, +ар₀/2, 0, -ар₀/2, -р₀), что дает пять неизвестных Χ₁(ω), Χ_η(ω), Κ(ω), τ и а, т.е. то же количество, что и число уравнений, при этом минимизация δΥ в уравнении (48) даст все пять неизвестных при отсутствии допплеровской задержки.

Следует отметить, что третий и четвертый способы, также как и первый и второй способы, используют вторую гармоническую полосу принятого сигнала для обработки и формирования сигнала изображения, при этом они обладают преимуществом даже лучшего подавления шума реверберации импульса в сигналах изображения, но за счет меньшего диапазона изображения для тех же частот. Устройства, как описано ниже, выполнены, следовательно, с возможностью выбора между первой и второй гармонической полосами принятых сигналов для обработки в соответствии с настоящим изобретением.

Нелинейное управление низкочастотным импульсом параметрами рассеяния и распространения высокочастотного импульса может дать благоприятные результаты при реконструкции изображения в компьютерной томографии исходя из измерений пропускания и углового рассеяния объекта, например посредством измерений, показанных на фиг. 9а. На фиг. 9а изображено поперечное сечение объекта, за- 30 014167 ключенного в кольцевую решетку 902 преобразователей с преобразовательными элементами 903, установленными вокруг всего объекта. Промежуточной средой 904 для акустической связи может быть, например, вода или другая текучая среда. Группа 905 элементов произвольно выбрана среди всей группы для излучения акустического пучка 906, направление которого через объект, обозначенное единичным вектором е,, может быть просканировано во всех направлениях через объект путем выбора разных групп излучающих элементов из всей группы элементов. В прямом направлении е, импульс ударяет кольцевую решетку в точке 907 с запаздыванием прямого распространения, равным некоторой модификации уравнения (10) ίο/(β,) = /_гм

(49) где Г Да; представляет собой путь прямого распространения вдоль оси пучка через весь диаметр

2а решетки.

Задержка распространения при нулевой амплитуде низкочастотного импульса равна ί₀£, когда нелинейная задержка, вызванная низкочастотным импульсом, равна τ. Полученный сигнал в точке 907 будет представлять собой излученный импульс, за которым следует хвост из многократно отраженных импульсов. Однако со ссылкой на фиг. 7 видно, что многократно отраженный сигнал имеет гораздо меньшее нелинейное время запаздывания τ и может быть в значительной степени подавлен путем комбинации по меньшей мере двух принятых сигналов с колебаниями в амплитуде, и/или фазе, и/или частоте низкочастотного излученного импульса вдоль описанных выше линий. Когда высокочастотный импульс расположен на отрицательном пространственном градиенте низкочастотного импульса, как показано на фиг. 1, совместное распространение указанных импульсов создает сжатие высокочастотного импульса, как описано в отношении этого чертежа, при этом подавление шума реверберации импульса может затем быть выполнено посредством частотной фильтрации, предпочтительно со скольжением, как описано в отношении фиг. 2. Для наиболее глубокого проникновения высокочастотные и низкочастотные излучающие поверхности могут быть выполнены такими, что положение высокочастотного импульса по отношению к низкочастотному импульсу скользит для получения расширения импульса с уменьшенной частотой, как описано со ссылкой на фиг. 2. Примеры таких излучающих поверхностей с анализом эффектов, которые получаются при скольжении, показаны на фиг. 7 и в соответствующих этому чертежу рассуждениях.

В соответствии с методами реконструкции с помощью компьютерной томографии можно использовать задержку Ц при отсутствии низкочастотного импульса, чтобы найти скорость распространения с_0а(г), где г является пространственной координатой в плоскости. Добавление низкочастотного импульса и измерение задержки τ нелинейного распространения обеспечивает реконструкцию в_па(г)к_0а(г). Исполь зуя амплитуду прямо распространяющегося импульса, можно также реконструировать пространственное изменение поглощения в объекте. Перемещение плоскости сканирования в вертикальном направлении позволяет затем получить 30-изображение объекта. Все эти реконструированные изображения будут иметь пространственное разрешение, ограниченное шириной излученного пучка, поскольку задержка импульса и амплитуды является величиной, усредненной по всему пучку, тогда как модель, описанная в уравнении (49), предполагает, что все задержки привязаны к оси пучка. Аналогичная модель также ис пользуется и для поглощения.

Улучшенное разрешение может также быть получено с использованием рассеянного под углом сигнала в методах, называемых дифракционной томографией, отражательной томографией, томографией обратного рассеяния и т.п. На элементах, например, обозначенных номером позиции 908 на фиг. 9а,Ь, в направлении под углом к направлению излученного пучка, обозначенном единичным вектором е₈, проходящим из центра решетки, будут наблюдаться рассеянные под углом сигналы как функция времени от разных глубин вдоль излученного пучка. Высокочастотный импульс, который рассеян из глубины г в точке 909 вдоль излученного пучка, сначала будет распространяться вместе с низкочастотным импульсом большой амплитуды вдоль пути Г, показанного на фиг. 9Ь от точки 910 к точке 909, а затем от точки 909 к точке 908 вдоль пути Г вместе с низкочастотным импульсом незначительной амплитуды из-за уменьшения амплитуды в процессе рассеяния. Время запаздывания всего распространения от точки 910 к точке 908 принимает вид

Рг,^е^) = еЦ +т(г,ё,) к(г,е., _Ь) = /_Г/(Г!,,_|+Г,_(гл._ь) ά (г + ^6 + 2«(г+ <·)(!+£,&)) (50) +£.)- Л, где в последнем выражении для ίο было сделано предположение постоянной скорости распространения с_0а вдоль обоих путей Г и Г₈.

Как описано в отношении фиг. 7, низкочастотный импульс меньше влияет на многократно рассеянный высокочастотный сигнал, так что путем комбинации двух или более высокочастотных сигналов с разными амплитудами, и/или фазами, и/или частотами низкочастотного импульса можно в значительной

- 31 014167 степени подавить шум реверберации импульса. Аналогично, чтобы подавить шум реверберации импуль са, можно использовать скольжение по частоте высокочастотного импульса низкочастотным импульсом, как описано со ссылкой на фиг. 1 и 2, а также можно использовать вторую гармоническую полосу принятых сигналов совместно со способами 1-4, описанными выше, чтобы дополнительно подавить шум реверберации импульса и определить нелинейно рассеянный сигнал и численные параметры распространения и рассеяния, как основу для реконструкции томографического изображения. Для специалиста в этой области техники также очевидно, что другое расположение преобразовательных элементов по сравнению с частным случаем, показанным на фиг. 9, может быть использовано для получения того же результата реконструкций компьютерной томографии.

Коррекции задержки, которые максимизируют функционал Ц, типа показанного в уравнении (21) и аналогичного уравнению (44), могут быть (как для первой, так и для второй гармонической полосы принятых сигналов, а также для полных принятых сигналов), например, найдены путем дифференцирования уравнения (21)

где общее количество задержек равно К-1, см. обсуждение в связи с уравнением (17). Благодаря эрмитовой симметричности К_к1‘ это уравнение может быть преобразовано в

где Ке обозначает вещественную часть суммы.

Заметим, что 5χ₁(ΐ+τ_ιρ)/5τ_ιρ=5χ₁(ΐ+τ_ιρ)/5ΐ, можно переписать уравнение (52) в виде

где ⁾ζ₁₁(ΐ) - сигнал из уравнения (17) с поправкой задержки т_1к.

Поскольку отсутствует аналитическое выражение для К_к1‘, задержки, которые удовлетворяют этой системе уравнений, должны быть найдены численным способом, например, по следующей итерационной схеме:

где с.| обозначает номер шага итерации; а μ - коэффициент усиления, который выбирают, чтобы добиться сходимости итерационного процесса. Минимизация 1_Ш в уравнении (22) по отношению к Η_ιρ может быть выполнена путем приравнивания производных к нулю, т.е.

Благодаря эрмитовой симметричности ⁾Ν это уравнение может быть преобразовано в следующее уравнение для собственных векторов:

Минимум функционала 1гц тогда дается собственным вектором с наименьшим собственным значением λ₁. Подставляя это выражение для корреляционной матрицы в уравнении (22), можно преобразовать уравнение (56) к виду

где ⁾ζ_ηι(ΐ) - сигнал из уравнения (19) с поправкой задержки т_1к.

Коррекция амплитуды, таким образом, найдена из корреляции между сигналами радиочастотного элемента и скорректированного на задержку и амплитуду радиочастотного сигнала на выходе фильтра верхних частот, где присутствует й_1к. Уравнение (57) затем может быть решено в процедуре итерации, например, как

- 32 014167

*=0

В продемонстрированном выше анализе сигнала, использованном в комплексном аналитическом представлении, который может быть получен из принятого радиочастотного сигнала путем использования преобразования Гильберта, как в уравнении (11), приближения преобразования Гильберта даны в уравнении (74). Для специалиста в этой области техники также очевидно, что приведенный выше анализ может быть изменен для действия на принятый радиочастотный сигнал, как вещественную часть аналитического сигнала.

Из процедур уравнений (54) и (58) следует, что естественно начать оценку для интервала Т₀ при наименьшем запаздывании с дальнейшей оценкой через последовательные интервалы. Затем используют определенные амплитуды Η_ιρ фильтра с коррекциями задержки τ_ιρ для предшествующего интервала в качестве начальных значений в итерационной процедуре для каждого нового интервала, начиная с τ0ρ,0=0 и Η_ιρ=1, в качестве начальных значений для первого интервала. Дополнительное преимущество использования значений, определенных на предыдущем интервале, в качестве начальных значений состоит в том, что, когда скачок в фазе ω₁δτ_ίρ, связанный с задержкой, меньше чем ±π/ω₁ между каждым интервалом, можно отследить задержки с помощью связанных с ними фазами |ωιτ_ιρ|>>π во всем диапазоне глубины.

Когда ширина полосы сигналов достаточно мала, а задержки меньше, чем период центральной частоты, могут быть применены следующие приближения:

⁹ « ш[х_к (ί)

α) (59)

δ) ’ад(£ + τ_(ί.) « + τ.ξ°) где в уравнении (56Ь) мы разделили коррекции задержки как = 8т,_к + т% (60) где τ^ - оценка или аппроксимация τ^, например далее будем использовать τ^ =¾.

Уравнение (59Ь) представляет, следовательно, комбинацию задержки фазы с фазой ωηδτ,ι.. и фактическую задержку τ_1|% в качестве оценки τ_1|. Улучшенную точность этого приближения получают путем фильтрации сигналов полосовым пропускающим фильтром около ω1 для уменьшения ширины полосы величины ⁾х_к(!). Подставляя аппроксимации из уравнений (59) в уравнения (53) и (54), получаем

Приравнивая последнее выражение нулю, можно вычислить δτ_ιρ как

где Ζ{} обозначает фазовый угол комплексного выражения.

Это приводит к следующему итеративному уравнению для коррекций амплитуды и задержки:

в котором итерацию обычно начинают со значений τ_ιρ,₀=τ_1-ι,_ρ с т_0р,₀=0 в качестве начальных значений для первого интервала.

С помощью приближения в уравнении (59) можно конвертировать максимизацию мощности в уравнениях (17) и (21) в проблему собственных значений. При этом используем разделение задержки в уравнении (60), что дает

Функционал в уравнении (21) преобразуется в

- 33 014167

Максимизация Ц по отношению к амплитуде и фазе 8_1к дает 8_1к как решение следующей проблемы собственных значений:

(66) для наибольшего собственного значения λ₁.

Максимум функционала Ц находят с помощью лучшей возможной синхронизации компонентов сигнала, что обеспечивает нахождение оптимальных коррекций задержек из фаз компонентов собственных векторов. Компоненты векторов з₁, определенные в уравнении (64), имеют модуль, равный единице, тогда как компоненты собственных векторов в уравнении (66) в общем имеют модули, отличные от единицы, поскольку величина функционала Ц может быть еще увеличена за счет предписания разного веса разным компонентам сигнала. Фазы компонентов собственных векторов в этом случае дают коррекции задержки, которые максимизируют мощность в уравнениях (17) и (64). Следует заметить, что матрица ^К¹ - эрмитова, т.е. ⁾К1т¹=(⁾Кт1¹)*. Из этого вытекает, что собственные значения вещественны, а собственные векторы образуют полный ортогональный базис для С_к, комплексного К-размерного пространства.

Точность приближения в уравнении (59) и, следовательно, нахождение решения собственных векторов в уравнении (66) улучшаются путем уменьшения ширины полосы сигналов. Преобразование Фурье от частичных суммированных сигналов в ω₁ обеспечивает настолько сильную полосовую фильтрацию, что дифференцирование в уравнении (59а) и задержка фазы в уравнении (59Ь) становятся точными. Однако, чтобы избежать случая, когда задержка фазы превышает фундаментальный диапазон ±π, полезно разделить задержки, как и в уравнении (60), чтобы получить %(ω) = (67)

После этого можно определить задержки путем максимизации функционала

Л, = рг_и(ш)]² - λ, |я_1к|² = - λ, 1.5,+²

Максимизация приводит к проблеме собственных значений для каждой частоты аналогично уравнению (66), в котором коррекции задержки находят из фаз величин 8_1к. Поскольку задержка фазы для преобразования Фурье является точным представлением истинной задержки, уравнение (67) является точным, в отличие от уравнения (64), в котором задержка фазы берется только на центральной частоте.

Основная часть анализа, проведенного выше, основана на доступности комплексных аналитических сигналов от радиочастотных элементов и на дальнейшей обработке этих сигналов для получения скорректированных принимаемых сигналов. Вычисления могут быть упрощены и дальше, причем следует заметить, что фазы в уравнении (62) могут быть вычислены как

(69) /_п άί(Не{\(/ + д-ι,ρ))1^(4(/)} + 1т{^_р(/ + 7-,_1._р)}1т{\г₂,(1)})

Интегрирование по Т₁ является оценкой следующих математических ожиданий:

где \ 7 обозначает усреднение по ансамблю; а А₁ принимает следующие формы:

Α,(ί) = + 7-,__1ιΡ)} 1т {^ι,(ί)} Α,(ί) = 1т{^}а:р(/ + τ,_1ιΡ)}Ηθ{⁾ζ1,(ί)}

Α(ί) = НеЦ.Гр)'/ + 7-_г__];Р)}В.е{';!,(/;)} Α,(ί) = + τ,__1ιΡ) }1т{\,(£)} (71)

Приближение в уравнении (70) становится равенством по мере того, как Т^-да, тогда как для конечных значений Т₁ существует случайная ошибка оценки средних по ансамблю значений, что является причиной знака примерного равенства в уравнении (70). В учебниках по обработке сигналов можно найти, что

Для конечных значений Т₁ случайные ошибки оценки приводят к следующим аппроксимациям:

(73)

- 34 014167

Далее следует отметить, что

Ηβ^ζ/ί)} = х_р(1)

Не {^,(2)} = ζ^ί)

Ιιη{⁵ίΓρ(ί)} - #{;Ερ(ί)} « χ_ρ(ί - π/2ωι)

1т{⁾г₁₁(/)} = « 2_£ι(ί - π/2ωι) (74) где приближение преобразования Гильберта посредством сигналов, запаздывающих на π/2ω_£, удов летворительно для узкополосных сигналов, центрированных в ω1.

Путем комбинации уравнений (73) и (74) получаем упрощенные выражения ,_7т. ~ ¹ 4._о„-1 Д^Ьх_р^ + г_г-_1р)Н{_г1Д)} _ 1 ;_Тг <&χ_ρ(ί + τ,_ι,_ρ)2_£ι(ΐ - π/2ωι) ~~ Е0Л1 ’ μ^- '·— ~г ~ ·*4ζ · ' Е£1Ц ρ . . Э2 *-Ά αΤϊ ^ΐ— (ί) I

В этом выражении преобразование Гильберта или его приближение задержки действует только на скорректированный выход фильтра верхних частот и, следовательно, должен быть применен только к одному сигналу, упрощая всю процедуру. Аналогичное выражение может быть получено из последней части уравнения (73), но здесь преобразование Гильберта или его приближение задержки должно быть применено к полученным сигналам χ_ρ(ΐ), что требует гораздо большей обработки. Некоторое уменьшение дисперсии оценки может быть получено путем комбинации первого и последнего выражения в уравнении (73) в соответствии с уравнением (69).

Также отметим следующее соотношение:

^Ве{\р(Г)}1т{Ч(Ц}) = (Ке{^(г)}1т{х₍ ^%(0)^ = -<7т{т^)}Не{г,^%(0}^ которое позволяет заменить приведенные выше действия над аналитическими сигналами на действия над комплексными огибающими сигналов, где их вещественные и мнимые части находят как активные и реактивные составляющие выходных сигналов стандартного квадратурного демодулятора, как описано выше.

При постоянной механической развертке акустического пучка также представляет интерес использование фильтров нижних частот и фильтров верхних частот с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ), в которых иллюстративный фильтр нижних частот 1-го порядка может быть описан как

где Т - постоянная времени фильтра с частотой отсечки <в_с=1/Т;

нижний индекс к обозначает номер импульса, как и раньше, а сигнал изображения ζ^ΐ) обновляется для каждого нового излученного импульса.

Одна и та же структура уравнения верна как для аналитического сигнала, так и для его комплексной огибающей.

Таким образом, теперь разработана рекуррентная схема оценки коррекций задержек т_1к для каждого нового излучаемого пучка. Считаем, что т_1т даны для т вплоть до к-1. При новом излученном пучке с номером к с принятым сигналом х_к(1) затем надо определить коррекции задержки т_1к. Эту оценку обычно выполняют через минимизацию функционала, где для простоты использовано приближение аналитического сигнала

Дифференцирование по т_1к дает «_=2ЛКе{^лм’_ад(()р_{0 (79)}

Подставляя это приближение в уравнение (59), получаем ~ -АсЦш /_Τι + τ,-ιλ) + ф1х_к(1 + т_11к)} (80)

Поскольку последний подынтегральный член вещественный, равенство в приведенном выше выражении выполняется, когда

Фильтры верхних частот более высокого порядка могут быть описаны аналогичным образом с пространственным представлением векторных состояний фильтров, известных любому специалисту в этой области техники. Также любой специалист в этой области техники может выполнить рекуррентное опре

- 35 014167 деление т_1к в соответствии с процедурой, описанной выше.

Для надлежащего подавления линейно рассеянного сигнала необходимо иметь точность задержки, которая намного меньше, чем интервал выборок принятого радиочастотного сигнала в большинстве акустических систем построения изображения. Эта точность может быть получена через интерполяцию сигнала между выборками в соответствии с известными методами. Часто, но менее надлежащая точность может быть получена посредством комбинации коррекции задержки с точностью ближайшей выборки 1+⁾т_1к и коррекции фазы ω^τ^ по аналогии с уравнением (59) + т_гк) т^) (82) ^где §^т]к=^Т1к^-Т1к.

Радиочастотный сигнал является вещественной частью уравнения (82).

Первый способ в соответствии с изобретением, описанный в связи с фиг. 1 и 2, может быть осуществлен как вариант приемного фильтра, который присутствует в большинстве современных цифровых сканеров, или же фильтрация на приеме может быть выполнена на пути обработки радиочастотного сигнала. Блок-схема узла обработки для определения коррекции амплитуды и/или задержки в соответствии со вторым или третьим способами согласно изобретению, вместе с параметрами изображения в соответствии с этим изобретением, как определено в уравнениях (14)-(30), (42)-(44), показана на фиг. 10. Принятые радиочастотные сигналы х_к(1), обозначенные номером позиции 1001, от последовательных излученных групп импульсов поступают в фильтр 1002 верхних частот медленного времени, чтобы дать на выходе линейный сигнал 1003 изображения с подавленной реверберацией, в соответствии с уравнением (14), а также в блок 1004 памяти, чтобы обеспечить большую универсальность в обработке сигналов. Принятые сигналы затем поступают в определитель 1005 коррекций амплитуды и/или задержки, который работает в соответствии с одним из способов, представленных выше или аналогичных им, для того, чтобы получить точные оценки 1006 коррекции амплитуды и/или задержки нелинейного распространения. Полученные коррекции амплитуды и/или задержки нелинейного распространения поступают в корректирующий блок 1007, который получает сигналы из блока памяти и выдает коррекции амплитуды и/или задержки нелинейного распространения. Откорректированные сигналы затем поступают в блок

1008, который выделяет скорректированный линейный сигнал 1009, например, в соответствии с уравнениями (17) и (18), или непосредственное решение уравнения (42) или аналогичное ему, и в блок 1010, который выделяет скорректированный нелинейно рассеянный сигнал 1011, например, в соответствии с уравнениями (19) и (20), или непосредственное решение уравнения (42), или аналогичное ему. Следует отметить, что, когда для оценки используют способы, аналогичные уравнениям (42)-(44), влияние реверберации импульса на определение коррекции задержки минимально, как оно минимально также на определение сигналов линейного и нелинейного рассеяния. Согласно рассуждениям, приведенным выше, можно также использовать вторую гармоническую полосу принятых сигналов для определения задержек нелинейного распространения, а также для сигналов изображения. Соответствующие блоки на блоксхеме должны тогда содержать фильтры для выделения второй гармонической полосы или же сами входные сигналы должны быть сигналами второй гармонической полосы.

Линейные 1009 и нелинейные 1011 сигналы с коррекцией задержки вместе с определенными коррекциями 1006 задержки подают в блок 1012 определения численных параметров, в котором вычисляют один или более численный параметр 1015 нелинейного распространения в соответствии с уравнением (27) или аналогичного ему и один или более численный параметр 1016 нелинейного рассеяния в соответствии с уравнением (30) или аналогичного ему, а также коэффициент а(г) 1017 локального акустического поглощения в соответствии с уравнением (36). Блок 1005 коррекции задержки может также представлять допплеровские фазы 1013, например, согласно уравнению (24), которые поступают в допплеровский блок 1014, который рассчитывает радиальное смещение 1018 центров рассеяния, радиальную скорость 1019 центров рассеяния, радиальную деформацию смещения 1020 центров рассеяния и радиальную скорость 1021 деформации смещения центров рассеяния или вычисляет другие параметры. Сигналы 1003,

1009, 1011, 1015, 1016, 1017, 1018, 1019, 1020 и 1021 затем обычно подают для дальнейшей обработки и отображают для создания полных акустических изображений в соответствии с известными способами.

Четвертый способ в соответствии с изобретением, описанный в связи с уравнениями (45)-(48), работает больше в пакетном режиме для оценки коррекций для задержек нелинейного распространения и линейно и нелинейно рассеянного сигнала. Процедура такой оценки может быть представлена блоксхемой на фиг. 11, где номер позиции 1101 обозначает приходящие измеряемые сигналы х_к(1), которые поступают в блок 1102 коррекции и определения амплитуды и/или задержки, выход из которого представляет собой линейно рассеянный сигнал χ₁(ΐ), обозначенный номером позиции 1103, нелинейно рассеянный сигнал х_п(1). обозначенный номером позиции 1104, и найденные коррекции для задержек τ(ΐ) нелинейного распространения и осцилляции амплитуды а(1), обозначенные номером позиции 1105. В связи с этим способом следует отметить, что реверберации импульса и сигналы нелинейного рассеяния минимально влияют на определение коррекций задержки, хотя при использовании второй гармонической полосы принятых сигналов существуют определенные преимущества, как обсуждалось выше в связи с уравнениями (42)-(44). Найденные величины χ₁(ΐ), χ_η(ΐ), τ(ΐ) и а(1) затем поступают в блок 1106 определе

- 36 014167 ния численных параметров, который выдает один или более параметров 1015 нелинейного распространения, параметр 1016 нелинейного рассеяния, параметр 1017 локального поглощения, радиальное смещение 1018 центров рассеяния, радиальную скорость 1019 центров рассеяния, радиальную деформацию 1020 смещения центров рассеяния и радиальную скорость 1021 деформации смещения центров рассеяния, или вычисляет другие параметры.

Блоки обработки сигналов могут быть затем применены как для способов томографической реконструкции, основанных на измерениях пропускания и углового рассеяния, как показано на фиг. 9, так и для устройств построения изображений с помощью обратного рассеяния. Блок-схема прибора построения изображений с помощью обратного рассеяния в самом широком смысле в соответствии с изобретением показана на фиг. 12, где номер позиции 1201 обозначает решетку акустических преобразователей, содержащую высокочастотную (ВЧ) и низкочастотную (НЧ) секции. В этом самом широком применении способов решетка имеет двумерное распределение элементов, что позволяет обеспечить полное электронное 3Б-управление высокочастотным и низкочастотным пучками, которая в дальнейшем называется 2Б-решетка, причем устройство также способно как определять, так и корректировать аберрации волнового фронта. Однако понятно, что способы могут быть использованы и с менее сложными решетками, как описано ниже.

Высокочастотная часть решетки в применениях полных 3Б-изображений может иметь большое число элементов, например от 3000 до 10000, а количество каналов для приема и излучения обычно уменьшают в блоке 1202 субапертуры, где в режиме приема сигналы от нескольких соседних элементов решетки задерживают и суммируют с сигналами 1203 субапертуры для дальнейшей обработки. Для коррекции аберрации значения ширины групп субапертуры на поверхности решетки меньше корреляционной длины аберраций волнового фронта, где обычное количество групп субапертур и сигналов может быть от 100 до 1000.

Чтобы излучить группы импульсов, формирователь 1204 ВЧ излучаемого пучка подает импульсы в блок 1202 субапертуры, который задерживает и распределяет сигналы во все элементы или в субгруппы элементов ВЧ-решетки, тогда как формирователь 1205 НЧ излучаемого пучка одновременно подает импульсы в элементы НЧ-решетки. Излучение групп импульсов запускают посредством контроллера 1206 устройства, который обращается с субблоками посредством шины 1207 устройства.

Принятые сигналы 1203 субапертуры поступают в блок 1208, в котором сигналы субапертуры задерживают для управления направлением принятого пучка и фокусирования в предположении однородной среды с постоянной средней скоростью распространения, что в дальнейшем называется однородными задержками. 3Б-управление и фокусировка может также быть выполнена и для разреженных решеток, причем блок 1202 субапертуры обычно исключают. Для 1,75Б-решеток количество элементов ВЧ-решетки может быть настолько уменьшено, что блоки субапертуры могут быть исключены. В дальнейшем поэтому будем использовать понятия сигналы элемента и сигналы субапертуры как синонимы.

Сигналы 1209 элементов, которые скорректированы посредством однородных задержек, подают в блок 1210, где также применяют коррекции для аберраций волнового фронта, например, определенные, как описано в уравнениях (33) и (34), или в соответствии со способами, описанными в патентах США № 6485423, 6905465 и в заявке на патент США №10/89438, перед тем, как сигналы элементов суммированы в окончательный сигнал принятого пучка. Для построения 3Б-изображений обычно используют многочисленные принимаемые пучки с небольшими угловыми отклонениями, которые параллельно покрывают широкий излучаемый пучок. Коррекции аберрации для пучков с угловыми отклонениями могут являться смещенными вбок случаями коррекции для центрального пучка, которые добавлены вместе с однородными задержками для углового отклонения в блоке 1210.

Выход 1211 блока 1210, следовательно, является одним или более радиочастотным сигналом для одного или более параллельного направления принятого пучка, который поступает в блок 1212 обработки в соответствии с настоящим изобретением, который, в свою очередь, выполняет одну или более операцию в соответствии с фиг. 2, 10 и 11. Следует отметить, что для операции в соответствии с фиг. 2 высокочастотный импульс на подавляющей части расстояния распространения расположен на отрицательном пространственном градиенте низкочастотных колебаний давления, тогда как для способов, описанных в связи с фиг. 10 и 11, высокочастотный импульс на подавляющей части расстояния распространения расположен вблизи гребня или впадины низкочастотных колебаний давления.

Коррекции аберрации определяют в блоке 1213, например, согласно способам, описанным в связи с цитируемыми патентами и заявками на патент, и, возможно, также используя способы, основанные на уравнениях (33) и (34). Блок 1213 берет в качестве входного сигнала сигналы 1209 с коррекциями однородной задержки и, возможно, также сигналы 1214 окончательного пучка с подавлением шума реверберации импульса в соответствии с изобретением. Сигналы 1209 элементов с коррекциями задержки обычно являются первыми обработанными с помощью способов в соответствии с изобретением, обычно с помощью способа, описанного в связи с фиг. 2 или уравнением (14), чтобы подавить шум реверберации импульса перед определением коррекций задержки. Следует отметить, что использование сигнала от движущихся центров рассеяния, как, например, имеет место для крови или миокарда и как предложено в патенте США № 6485423, улучшает действие способов подавления шума реверберации импульса, как

- 37 014167 описано в отношении уравнения (14). Оценки, основанные на задержках нелинейного распространения для отдельных сигналов элементов/субапертур, которые даются уравнениями (33) и (34), также сами по себе представляют интересные оценки, а также являются отправной точкой для дальнейших оценок в соответствии с цитируемыми патентами как для фокусировки 1-го излученного пучка, а также в итерационной схеме.

Когда оценка коррекций для аберрации волнового фронта основана на корреляциях сигнала с выходным сигналом 1214 формирователя пучка с сильно подавленным шумом реверберации, шум реверберации в сигналах элемента некоррелирован по отношению к выходному сигналу формирователя пучка. Если допустимы медленные обновления оценок коррекции аберрации, можно использовать такие длинные времена корреляции, что влияние шума реверберации в сигналах элемента на оценки коррекций может быть незначительным. Однако время корреляции обычно настолько мало, что является предпочтительным также подавить шум реверберации в сигналах элемента перед выполнением оценок коррекций аберрации.

Выходные сигналы блока 1212 являются линейно и нелинейно рассеянными сигналами, двумя численными нелинейными параметрами, а также данными по допплеровской фазе и частоте, как описано в отношении фиг. 10 и 11. Эти данные могут быть поданы непосредственно в блок 1216 построения изображения и в преобразователь развертки, который представляет изображения в сжатом и окрашенном виде амплитуд линейно и нелинейно рассеянных сигналов, численных нелинейных параметров/сигналов, радиальных смещений объекта, скоростей, деформаций смещения и скоростей деформации смещения, основываясь на выходных сигналах, даваемых фиг. 10 и 11. Однако для измерения радиальных скоростей крови или пузырьков газа или других текучих сред следует дальше обработать линейно или нелинейно рассеянные сигналы в области медленного времени для подавления паразитного эхо-сигнала от объекта вследствие мешающих отражений, чтобы выделить сигналы текучих сред для допплеровской обработки в соответствии с известными способами, что и делает блок 1215. Выходные сигналы из этого блока подают в блок 1216 построения изображения, чтобы быть выбранными и наложенными на изображения с другой информацией. Блок 1216 подает свои выходные сигналы на отображающее устройство 1217.

Любому специалисту в этой области техники должно быть очевидно, что могут быть выполнены многочисленные упрощения устройства, представленные на фиг. 12, хотя и с использованием в устройстве существенных аспектов изобретения. Например, можно иметь грубое разделение элементов в вертикальном направлении, что ограничивает электронное управление направлением пучка в этом направлении, хотя все еще можно получать коррекции для аберраций волнового фронта и динамической фокусировки с глубиной в вертикальном направлении. Такие решетки часто называют 1.750-решетками, которые имеют меньшее число общего количества элементов решетки, чем 2О-решетки для полного 3О-управления пучком, в результате чего блок субапертуры может быть исключен. Разреженные решетки представляют собой другой способ исключения некоторого числа элементов, так что становится практичным исключить блок 1202 субапертуры. Однако выигрыш от использования блока субапертуры существует, если только размер субапертурной группы вдоль поверхности решетки меньше корреляционной длины аберраций волнового фронта.

Можно также исключить оценки и коррекции для аберраций волнового фронта, т. е. блоки 1210 и 1213, и тем не менее быть в состоянии выполнять обработку в блоке 1212 для получения как линейно, так и нелинейно рассеянных сигналов и т.д., как было описано выше. Решетку можно еще больше упростить, когда элементы, симметричные относительно оси сканирования пучка (азимутальная ось), гальванически объединены для дальнейшего уменьшения в 2 раза числа независимых каналов, при этом такую решетку часто называют 1,5О-решеткой. Аналогично можно использовать одномерные (Ш) решетки, а также кольцевые решетки с механическим сканированием направления пучка, при этом единственное изменение в блок-схеме, показанной на фиг. 12, будет заключаться в исключении блока 1212 субапертуры, блока 1210 коррекции аберрации и блока 1213 оценки коррекции аберрации.

Таким образом, поскольку желательно иметь устройства с разной сложностью или с возможностью выбора сложности, для наилучшей эффективности в зависимости от измерительной ситуации желательно иметь устройства, которые выполнены с возможностью выбора между разными способами обработки, описанными выше. Нумерация способов, описанных выше, соответствует возрастающей сложности способов с вытекающим отсюда увеличением числа импульсов, требуемых для одной радиальной линии изображения, и, следовательно, увеличением времени, затраченного на построение одного изображения, которое является величиной, обратной частоте кадров.

Преимущества и недостатки этих способов следующие.

1. В первом способе в соответствии с изобретением, описанном в отношении фиг. 1 и 2, результат получают с помощью единственной группы излученных импульсов и обеспечивают подавление шума реверберации импульса с чувствительностью первой гармоники посредством радиочастотной фильтрации принятого сигнала в быстром времени в блоке 1212, изображенном на фиг. 12. Сигналы с подавленной реверберацией далее обрабатывают согласно известным способам получения структурного изображения объекта и построения допплеровского изображения движущихся центров рассеяния и текучих сред, а также радиальной деформации смещения и скоростей деформации относительного перемещения

- 38 014167 центра рассеяния в блоках 1215 и 1216. Этот способ не обеспечивает параметры нелинейного рассеяния или параметры задержки нелинейного распространения, но дает самую большую частоту кадров из всех способов.

2. Во втором способе в соответствии с изобретением, описанном в отношении фиг. 3-7 и уравнений (10)-(41), результат получают с помощью двух или более групп излученных импульсов для каждой радиальной линии изображения с изменениями частоты, и/или фазы, и/или амплитуды низкочастотного импульса для каждой излученной группы импульсов. Путем комбинации принятых сигналов от нескольких импульсов получают первый сигнал изображения с подавлением шума реверберации импульса с чувствительностью первой гармоники, оценку задержки нелинейного распространения, которая дает второй сигнал изображения, дающий информацию о нелинейном рассеянии от объекта, микрокальцификаций и микропузырьков, а также первый и второй численные нелинейные параметры изображения. При излучении трех или более импульсов также получают допплеровскую информацию согласно уравнению (24), которая чрезвычайно полезна при изучении радиального смещения и скорости, а также радиальной деформации смещения и скоростей деформации структур объекта, таких как миокард. Обработанные первый и второй сигналы изображения могут быть использованы для построения изображения амплитуды структур объекта в блоке 1216 и для построения допплеровского изображения движущихся центров рассеяния с фильтрацией шума помех в блоке 1215. Для амплитудного построения изображения ткани способ дает более низкую частоту кадров, чем первый способ, описанный выше, поскольку нужно излучать две или более группы импульсов для каждой радиальной линии изображения, тогда как при построении допплеровского изображения, изображений деформации смещения и скоростей деформации частоты кадров обоих методов сравнимы по величине. Когда для определения задержек нелинейного распространения используют первые гармонические сигналы, в оценках задержки будут проявляться ошибки, вызванные шумом реверберации импульса, тогда как с меньшей чувствительностью можно определить задержки нелинейного распространения из второй гармонической компоненты принятых сигналов, которая обладает подавленным шумом реверберации, или же можно снизить шум реверберации другим образом, чтобы получить оценки задержек нелинейного распространения с меньшими ошибками, вызванными шумом реверберации. Нелинейное рассеяние также дает небольшие ошибки в оценках задержки, которые влияют на точность определения второго сигнала изображения и численных нелинейных параметров изображения. Однако эти ошибки лишь минимальным образом снижают подавление линейно рассеянного сигнала при формирования второго сигнала изображения, что является важным результатом. В настоящем изобретении также отмечены основные принципы конструкций двухполосных акустических решеток преобразователей, которые создают осциллаторные изменения с глубиной в фазе излученного низкочастотного импульса по отношению к высокочастотному импульсу, для минимизации максимальных задержек нелинейного распространения, так что для малых амплитуд (~50 кПа) низкочастотного импульса можно приблизительно определить вторые нелинейные сигналы изображения без коррекций на задержки нелинейного распространения.

3. В третьем способе, описанном в отношении уравнений (42)-(44), используют три или более излученные группы импульсов по меньшей мере с тремя уровнями частот, и/или фаз, и/или амплитуд низкочастотного импульса для получения одного обработанного сигнала. В способе удаляют шум реверберации импульса перед дальнейшей оценкой задержек нелинейного распространения и получают оценки линейно и нелинейно рассеянных сигналов с сильным подавлением шума реверберации импульса. Первые численные нелинейные параметры/сигналы изображения, уравнение (27), и вторые численные нелинейные параметры/сигналы изображения, уравнение (30), получают, как и во втором способе. При использовании четырех или большего числа импульсов также можно оценить допплеровскую задержку между сигналами от последовательных импульсов, которая постоянна для каждого оценочного интервала Т₁, как и в уравнении (24) для второго способа. Эта допплеровская задержка чрезвычайно полезна для изучения радиального смещения и скорости, радиальной деформации смещения и скоростей деформации объекта, такого как миокард. Для построения допплеровского изображения скоростей центров рассеяния необходимо иметь фильтр для подавления мешающих отражений для удаления помех от объекта, причем обработку выполняют в блоке 1215, как и в других способах. Тем не менее, нелинейно рассеянный сигнал вносит небольшие ошибки в определение нелинейной задержки, которые влияют на точность определения второго нелинейно рассеянного сигнала изображения, но по сравнению со вторым способом эти ошибки не снижают подавление линейно рассеянного сигнала при формировании второго нелинейного сигнала изображения, что является важным результатом. Этот способ дает меньшую частоту кадров по сравнению со вторым способом.

4. В четвертом способе, описанном в отношении уравнений (45)-(48), используют четыре или более излученных групп импульсов с четырьмя или большим числом уровней частот, и/или фаз, и/или амплитуд низкочастотного импульса для получения одного обработанного сигнала линейного рассеяния 1-го порядка, нелинейного рассеяния 1-го порядка и задержек нелинейного распространения. Первые численные нелинейные параметры/сигналы изображения, уравнение (27), и вторые численные нелинейные параметры/сигналы изображения, уравнение (30), получают, как и во втором способе. При использовании пяти или большего числа импульсов с пятью изменениями частоты, и/или фазы, и/или амплитуды низко

- 39 014167 частотного импульса также можно оценить ошибки в фазах и/или амплитудах низкочастотного импульса и/или допплеровские задержки между пятью излученными импульсами. Эта допплеровская задержка чрезвычайно полезна для изучения радиального смещения и скорости, радиальной деформации смещения и скоростей деформации объекта, такого как миокард. Для построения допплеровского изображения скоростей центров рассеяния необходимо иметь фильтр для подавления мешающих отражений для удаления помех от объекта, причем обработку выполняют в блоке 1215, как и в других способах. При этом шум реверберации импульса и нелинейное рассеяние лишь минимально влияют на определение задержек нелинейного распространения, давая, таким образом, наиболее точное определение задержек нелинейного распространения, линейно и нелинейно рассеянных сигналов за счет наименьшей частоты кадров из всех четырех способов.

Изобретение предусматривает устройство, которое может работать по меньшей мере с двумя из указанных способов, с возможностью выбора наилучшего способа в зависимости от необходимости, причем выбор может быть осуществлен при непосредственном управлении оператора или же оператор может установить ограничения, при этом устройство автоматически выбирает способы для лучшей эффективности работы в соответствии с этими ограничениями для разных условий работы.

Примером ограничения, устанавливаемого оператором, может быть минимальная частота кадров, где для малых диапазонов глубины, при которых можно использовать высокую частоту следования импульсов, можно применять способ с самой высокой нумерацией из тех, что перечислены выше, который тем не менее удовлетворяет ограничению частоты кадров для получения лучшей эффективности работы с необходимой частотой кадров. Для больших диапазонов глубины, при которых частота следования импульсов должна быть снижена, устройство выбирает один из оставшихся способов, который все еще удовлетворяет ограничению частоты кадров, хотя и с более худшим качеством определения. Другим примером ограничения может служить комбинация частоты кадров и качества определения, в котором при увеличении диапазона для средних диапазонов качество падает при постоянной частоте кадров, а для больших диапазонов глубины частота кадров падает, тогда как качество сохраняется.

Выбор способа также может автоматически зависеть от средств построения изображения, причем для построения линейных объектных изображений сердца используют первый способ с сигналами изображения с подавленной реверберацией для самой высокой частоты кадров, тогда как при исследовании движений в миокарде устройство может переключиться во втором способе с 2-4 групп излучаемых импульсов на каждую радиальную линию изображения, используя для движения миокарда уравнение (24). Для построения изображения скоростей центров рассеяния устройство может переключиться во втором способе с 8-16 групп излучаемых импульсов на каждую радиальную линию изображения, используя обработку в блоке 1215. Для неподвижных объектов, как предстательная железа, грудные железы, печень и т.п., обычно можно выбрать четвертый способ для наилучшего возможного определения линейно и нелинейно рассеянных сигналов 1-го порядка, задержек нелинейного распространения и численных параметров изображения.

Для целей томографической реконструкции обработку сигналов в соответствии с настоящим изобретением обычно выполняют на отдельных принятых элементных сигналах до того, как сигналы обработаны согласно алгоритмам реконструкции разного типа, причем блок-схема типичного устройства для томографической реконструкции изображения в соответствии с изобретением показана на фиг. 13. На чертеже показаны измерения с помощью кольцевой решетки 1301, причем для специалиста в этой области техники очевидно, что другие конструкции решетки и решетки преобразователей, которые для сбора данных целиком или частично используют механическое сканирование, могут быть также использованы без отхода от сущности изобретения. Решетка окружает объект 1302. Блок 1303 из всех элементов произвольно выбирает группу излучающих элементов и создает группу излученных импульсов, состоящую из перекрывающихся во времени низкочастотного и высокочастотного импульса, которая, например, изображена на фиг. 1 и 3. Излучение групп импульсов запускается блоком 1307 управления через управляющую шину 1308. Блок 1304 из всей группы элементов выбирает принимающие элементы, последовательно или параллельно или в последовательно-параллельной комбинации, и усиливает и оцифровывает сигналы элементов для дальнейшей обработки согласно изобретению в блоке 1305. Этот блок работает в соответствии с принципами согласно изобретению, например, как описано в связи с фиг. 1 и 2 для одиночной группы импульсов на каждый обработанный сигнал или в связи с фиг. 10 или 11 для многочисленных излученных импульсов на каждый обработанный сигнал. Обработка сигналов в блоке 1305 обеспечивает один или более линейно рассеянных и излученных сигналов с существенным подавлением шума реверберации импульса (многократное рассеяние), нелинейно рассеянных сигналов и численных параметров нелинейного распространения и рассеяния, которые передают в блок 1206, выдающий компьютерные томографические изображения 2Э-слоев объекта. Путем механического перемещения решетки относительно объекта в направлении, перпендикулярном чертежу, можно получить 3Ό реконструированное изображение объекта.

- 40 014167

Пример устройства для использования способов получения акустического изображения геологических структур вокруг нефтяной скважины показан на фиг. 14. Номером позиции 1401 показана простреленная эксплуатационная обсадная колонна нефтяной скважины с окружающими геологическими структурами 1402, которые обычно состоят из пористой горной породы, наполненной нефтью, газом, водой или их смесью, хотя могут быть найдены области твердой породы. Номером позиции 1403 показана акустическая решетка для излучения и приема групп акустических импульсов согласно изобретению в секторах пучков 1404, выполненных с возможностью выбора вокруг эксплуатационной обсадной колонны. Принятые акустические сигналы обрабатывают в соответствии со способами, описанными выше, с иллюстративными устройствами, показанными на фиг. 10-12. Когда нефтяные скважины расположены достаточно близко друг к другу, можно использовать измерения на пропускание между нефтяными скважинами и реконструировать изображения из измерений на пропускание и угловых измерений, как описано выше, в особенности в отношении фиг. 9 и 13.

Таким образом, как были показаны, описаны и отмечены основные новые признаки изобретения в применении к предпочтительным вариантам выполнения, должно быть понятно, что специалистами в этой области техники могут быть выполнены различные исключения, замены и изменения в форме и деталях изображенных устройств, а также в принципах их работы без отхода от сущности изобретения.

Также намеренно предположено, что все комбинации тех элементов и этапов способа, которые выполняют по сути ту же функцию, по существу, тем же образом для достижения тех же результатов, попадают в область охраны изобретения. Кроме того, следует понимать, что структуры, и/или элементы, и/или этапы способа, показанные и/или описанные в связи с любой раскрытой формой или вариантом выполнения изобретения, могут быть включены в любую другую раскрытую, или описанную, или предложенную форму или вариант выполнения как основной принцип при выборе конструкции. Таким образом, изобретение намеренно ограничено сущностью пунктов формулы изобретения, приведенных ниже.

В формуле изобретения будем использовать следующие концепции.

Принятые сигналы являются сигналами хЩ). впервые введенными до уравнения (11), или их аналитической формой определенной в уравнении (11), или их комплексной огибающей, определенной в уравнениях (12) и (13).

Быстрое и медленное время или номер координаты импульса определены в отношении фиг. 5.

Фильтрация в медленном времени или фильтрация вдоль номера координаты импульса определены в отношении фиг. 6.

Шум реверберации импульса определен в отношении фиг. 7.

Построение томографических реконструированных изображений определено в отношении фиг. 9.

Нелинейно рассеянный сигнал является нелинейно рассеянным сигналом от высокочастотного импульса с сильно подавленными компонентами линейного рассеяния, определены в уравнениях (9), (11)(13), (19), (42)-(48), или его аналитическая форма, или его комплексная огибающая, определенная аналогично х_к(!).

Линейно рассеянный сигнал является принятым сигналом от линейного рассеяния высокочастотного импульса в объекте, определенный в уравнениях (9), (11)-(13), (17), (42)-(48), или его аналитическая форма, или его комплексная огибающая, определенная аналогично х_к(1).

Сигнал изображения с подавленной реверберацией, или первый сигнал изображения, определенный в уравнениях (14) и (42)-(48) или в отношении фиг. 2.

Задержки нелинейного распространения определены в отношении уравнения (10).

Полные задержки распространения представляют собой сумму задержек нелинейного распространения и задержек допплеровского смещения (допплеровских задержек), определенные в отношении уравнения (23).

Коррекции задержки или коррекции для задержек нелинейного распространения или полных задержек распространения определены в уравнениях (10), (17)-(25) и (49), (50).

Второй сигнал изображения определен в уравнениях (19), (28) и (42)-(48) как нелинейно рассеянный сигнал.

Третий сигнал изображения определен в уравнениях (17), (29) и (42)-(48) как линейно рассеянный сигнал.

Коррекции амплитуды определены в отношении уравнений (19) и (22).

Оценочные интервалы Т₁ определены в отношении уравнений (21) и (44).

Первый численный нелинейный параметр изображения, или параметр нелинейного распространения, определен в уравнении (27).

Второй численный нелинейный параметр изображения, или параметр нелинейного рассеяния, определен в уравнении (30).

Рекуррентная процедура - это вычислительная процедура, которая повторяется несколько этапов и в которой значения параметров обновляются в процедуре на каждом этапе; определена в отношении уравнений (54), (58), (63) и (81).

Итерационная процедура - то же самое, что и рекуррентная процедура.

- 41 014167

Ссылки [1] Бьёрн А., Дж. Ангельсен. Построение ультразвуковых изображений. - Волны, сигналы и обработка сигналов, том 2, Эмантек, Трондхайм, Норвегия, дек. 2000.

Claims (59)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ измерения или построения изображения по меньшей мере одного из акустических свойств рассеяния и распространения в объекте с использованием множества радиальных линий измерения или изображения, причем для каждой радиальной линии измерения или изображения в способе:

   a) излучают пучками по меньшей мере одну группу акустических импульсов в направлении к объекту, причем указанная по меньшей мере одна группа импульсов состоит по меньшей мере из одного высокочастотного (ВЧ) импульса и по меньшей мере одного низкочастотного (НЧ) импульса и с теми же или перекрывающимися направлениями пучков;

   b) получают ВЧ-сигналы с помощью решетки ВЧ-преобразователей по меньшей мере от одной акустической волны, полученной в результате рассеяния по меньшей мере одного ВЧ-импульса, который прошел через объект; и

   c) формируют сигналы измерения или изображения из принятых ВЧ-сигналов в процессе, причем используют указанный по меньшей мере один НЧ-импульс для создания нелинейного управления упругими свойствами объекта, наблюдаемого посредством указанного по меньшей мере одного ВЧ-импульса, для подавления ухудшающего эффекта на измерение или построение сигналов из-за реверберации импульса благодаря многократному рассеянию указанного по меньшей мере одного ВЧ-импульса.
2. 2. Способ по п.1, в котором выполняется одно или оба из следующего:

   a) указанный ВЧ-импульс по меньшей мере в части диапазона глубины изображения распространяют на отрицательном пространственном градиенте формы сигнала указанного НЧ-импульса и

   b) пучки указанных ВЧ- и НЧ-импульсов располагают так, что фазовое соотношение между ВЧ- и НЧ-импульсами так изменяется с глубиной, что в одном диапазоне указанный ВЧ-импульс распространяется вдоль нулевого или положительного пространственного градиента формы сигнала указанного НЧимпульса, в результате чего получают улучшенное разрешение указанного ВЧ-импульса при более глубоких диапазонах и улучшенное частотное разделение шума реверберации импульса и рассеянного сигнала 1го порядка ВЧ-импульса.
3. 3. Способ по п.2, в котором принятые ВЧ-сигналы фильтруют в пространстве быстрого времени (время глубины) посредством фильтра, который подавляет, по меньшей мере, более низкие частоты и в котором, по меньшей мере, нижняя частота отсечки фильтра изменяется с глубиной для получения первого сигнала, представляющего собой линейно рассеянный от объекта высокочастотный сигнал с существенным подавлением шума реверберации импульса на каждой глубине изображения для дальнейшей обработки, чтобы сформировать сигналы измерения или изображения.
4. 4. Способ по п.1, в котором по меньшей мере две группы импульсов излучают в направлении к указанному объекту с теми же или перекрывающимися направлениями пучков для каждой линии изображения и в котором частоту, и/или фазу, и/или амплитуду НЧ-импульса изменяют для каждой излученной группы импульсов в процессе формирования сигналов измерения или изображения.
5. 5. Способ по п.4, в котором на этапе формирования сигналов измерения или изображения определяют по меньшей мере один из следующих сигналов из ВЧ принятых сигналов:

   первый сигнал, представляющий собой принятый сигнал от линейно рассеянных ВЧ-импульсов с существенным подавлением шума реверберации импульса;

   второй сигнал, представляющий собой принятый сигнал от нелинейно рассеянных ВЧ-импульсов с существенным подавлением линейно рассеянного сигнала; и третий сигнал, представляющий собой принятый сигнал от линейно рассеянных ВЧ-импульсов с таким же усилением, изменяющимся с глубиной и акустическим поглощением, что и 2-й сигнал.
6. 6. Способ по п.5, в котором первый сигнал выделяют из ВЧ принятых сигналов в процессе, который включает этапы фильтрации вдоль номера координаты импульса (медленного времени) для подавления низкочастотных компонентов медленного времени и пропускания высокочастотных компонентов медленного времени.
7. 7. Способ измерения или построения изображения нелинейного акустического рассеяния от области в объекте, в котором:

   a) излучают по меньшей мере две группы акустических импульсов в направлении к области объекта, причем каждая из указанных по меньшей мере двух групп импульсов состоит по меньшей мере из одного высокочастотного (ВЧ) импульса и по меньшей мере одного низкочастотного (НЧ) импульса и с теми же или перекрывающимися направлениями пучков, при этом в каждой из указанных по меньшей мере двух групп импульсов по меньшей мере один из параметров: частота, амплитуда или фаза указанного по меньшей мере одного НЧ-импульса меняется;

   b) получают ВЧ-сигналы с помощью решетки ВЧ-преобразователей, которая улавливает по мень

   - 42 014167 шей мере одну из акустических волн, созданных в результате рассеяния на объекте по меньшей мере одного ВЧ-импульса, и акустических волн указанного по меньшей мере одного ВЧ-импульса, который прошел через объект;

   с) оценивают разность в общей задержке распространения между ВЧ-импульсами, основываясь на ВЧ принятых сигналах, и корректируют с учетом задержки ВЧ принятые сигналы по меньшей мере из двух ВЧ-импульсов с оцененными разностями в общей задержке распространения и

   й) формируют второй сигнал, представляющий собой нелинейное рассеяние на объекте с сильным подавлением линейно рассеянного сигнала на объекте путем комбинации ВЧ принятых сигналах, скорректированных с учетом задержки, и путем использования указанного по меньшей мере одного НЧимпульса для создания нелинейного управления упругими свойствами объекта, наблюдаемого посредством указанного по меньшей мере одного ВЧ-импульса.
8. 8. Способ по п.1 или 7, в котором высокочастотные сигналы, которые были рассеяны под углом от объекта и/или прошли сквозь объект, используют для реконструкции томографического изображения акустических свойств объекта.
9. 9. Способ по п.2 или 5, в котором высокочастотные сигналы, которые были рассеяны под углом от объекта и/или прошли сквозь объект, обрабатывают для существенного подавления шума реверберации импульса перед тем, как их используют для томографических реконструкций изображения акустических свойств объекта.
10. 10. Способ по п.4 или 7, в котором переменные полные задержки распространения с поимпульсным накоплением, как сумма допплеровских задержек между группами импульсов и задержек нелинейного распространения, вызванных нелинейным управлением НЧ-импульсом скоростью распространения ВЧимпульса, определяют из ВЧ принятых сигналов по меньшей мере от двух групп импульсов, при этом определенные полные задержки распространения используют в процессе формирования сигналов измерения или изображения.
11. 11. Способ по п.10, в котором задержки нелинейного распространения определяют непосредственно из одного из следующих параметров:

    a) допплеровские задержки, которые равны нулю благодаря отсутствию перемещения между центрами рассеяния и решеткой преобразователей; и

    b) по меньшей мере три излученные группы импульсов с разными амплитудами низкочастотного импульса, а из ВЧ принятых сигналов раздельно определяют как задержки нелинейного распространения, так и допплеровские задержки, при этом определенные допплеровские задержки и/или задержки нелинейного распространения используют в процессе формирования сигналов измерения или изображения.
12. 12. Способ по п.10, в котором разности в общей задержке распространения оценивают исходя из минимизации мощности в сигналах измерения или изображения, которая представляет собой нелинейное рассеяние на объекте.
13. 13. Способ по пп.5, 9 или 10, в котором корректируют задержку указанных ВЧ принятых сигналов с одной из указанных определенных полных задержек распространения и задержек нелинейного распространения для формирования ВЧ принятых сигналов с корректировками задержки, а указанный второй сигнал, который является оценкой нелинейно рассеянного сигнала, представляющей собой локальные параметры нелинейного рассеяния объекта, выделяют в процессе, который включает этапы объединения указанных ВЧ принятых сигналов с корректировками задержки вдоль координаты номера импульса (медленного времени) для подавления низкочастотных компонентов медленного времени указанных ВЧ принятых сигналов с корректировками задержки.
14. 14. Способ по п.7 или 13, в котором в дополнение к указанным коррекциям задержки ВЧ принятые сигналы подвергают также коррекциям амплитуды для максимального подавления линейно рассеянного сигнала в процессе формирования указанного второго сигнала.
15. 15. Способ по п.14, в котором указанные коррекции амплитуды определяют из минимизации мощности в указанном втором сигнале с ограничением, заключающимся в фиксированной норме вектора коррекции амплитуды.
16. 16. Способ по п.12 или 15, в котором дополнительно используют визуальное наблюдение мощности в сигналах измерения или изображения в качестве обратной связи для ручной корректировки по меньшей мере одного из: оценок коррекций амплитуды и оценок разностей в задержке распространения на различный глубинах вдоль пучка для минимизации мощности в сигналах измерения или изображения, представляющей собой нелинейное рассеяние на объекте.
17. 17. Способ по п.7 или 11, в котором указанные разности в задержке нелинейного распространения оценивают из вычисления для нескольких глубин с использованием зависящей от давления вариации скорости распространения, определяемой по формуле с(ры) = со(1 + βηΚΡίρ) а их зависимость от давления р_ЬР НЧ-импульса в месте нахождения ВЧ-импульса как функция глубины и оценка давления НЧ-импульса в месте нахождения ВЧ-импульса для нескольких глубин с выбранными материальными параметрами β,,κ и с₀ на нескольких глубинах дополнительно корректируют

    - 43 014167 вручную для улучшения подавления линейно рассеянного сигнала.
18. 18. Способ по п.11, в котором нелинейный параметр или сигнал изображения, который представляет собой локальный параметр или сигнал изображения нелинейного прямого распространения, определяющий локальные параметры нелинейного распространения в объекте, формируют из разности вдоль быстрого времени оцененных задержек нелинейного распространения.
19. 19. Способ по п.18, в котором первый численный нелинейный параметр или сигнал изображения, который является локальным параметром или сигналом изображения нелинейного прямого распространения, представляющий собой параметры нелинейного распространения объекта, формируют как комбинацию производной указанных определенных задержек нелинейного распространения вдоль быстрого времени и как оценку локальной амплитуды давления указанного по меньшей мере одного НЧ-импульса в месте нахождения указанного по меньшей мере одного ВЧ-импульса.
20. 20. Способ по пп.5 или 7 и 10 или 11, в котором корректируют задержку указанных ВЧ принятых сигналов с одной из указанных определенных полных задержек распространения и задержек нелинейного распространения для формирования ВЧ принятых сигналов с корректировками задержки, а указанный третий сигнал, который является оценкой линейно рассеянного ВЧ-сигнала, с таким же усилением, изменяющимся с глубиной и акустическим поглощением, что и второй сигнал, который является нелинейно рассеянным сигналом, выделяют в процессе, который включает этапы объединения указанных сигналов с корректировками задержки вдоль координаты номера импульса (медленного времени) для пропускания частотных компонентов медленного времени около нуля и подавления других частотных компонентов медленного времени.
21. 21. Способ по пп.5 или 7 и 20, в котором нелинейный параметр или сигнал изображения, являющийся локальным параметром или сигналом изображения нелинейного рассеяния, определяющий локальные параметры нелинейного рассеяния объекта, формируют путем комбинации огибающей второго сигнала и огибающей третьего сигнала.
22. 22. Способ по п.21, в котором второй численный нелинейный параметр или сигнал изображения, являющийся численным параметром или сигналом изображения нелинейного рассеяния, представляющий собой локальные параметры нелинейного рассеяния объекта, формируют путем комбинирования огибающей указанного второго сигнала, огибающей указанного третьего сигнала и оценки локальной амплитуды давления указанного по меньшей мере одного НЧ-импульса на распространяющемся совместно по меньшей мере одном ВЧ-импульсе.
23. 23. Способ по п.11, в котором из указанных определенных допплеровских задержек оценивают один или более из следующих параметров:

    радиальное смещение объекта вдоль направления пучка как функцию глубины вдоль пучка;

    радиальную скорость смещения объекта вдоль направления пучка как функцию глубины вдоль пучка;

    радиальную механическую деформацию объекта вдоль направления пучка оценивают из производной указанного оцененного смещения вдоль диапазона глубины и радиальную скорость механической деформации объекта вдоль направления пучка оценивают из производной указанной оцененной скорости смещения вдоль диапазона глубины.
24. 24. Способ по пп.19 и 22, в котором один или оба из указанных первого и второго численных нелинейных параметров/сигналов изображения используют для оценки либо относительного объема микрососудов в объекте, либо перфузии текучей среды через объект, либо и того и другого.
25. 25. Способ по п.3 или 5, в котором первый сигнал с подавлением шума реверберации используют в процессе оценки коррекций аберраций волнового фронта.
26. 26. Способ по п.25, в котором решетка ВЧ-преобразователей имеет двумерное распределение элементов и в котором по меньшей мере один из сигналов:

    сигналы, принятые от элементов, которые являются ВЧ принятыми сигналами от элементов решетки; и сигналы, принятые от субапертур, которые являются комбинацией ВЧ принятых сигналов от групп субапертур смежных элементов решетки, обрабатывают согласно п.3 или 5 для получения новых ВЧ-сигналов элемента или субапертуры с существенным подавлением шума реверберации импульса, причем указанные новые высокочастотные сигналы элемента или субапертуры используют в оценке коррекций для аберраций волнового фронта.
27. 27. Способ по пп.26 и 11, в котором задержки нелинейного распространения определяют для указанных сигналов элемента или субапертуры и используют в процессе оценки коррекций для аберраций волнового фронта.
28. 28. Способ по п.3, или 5, или 7, в котором излучают широкие ВЧ- и НЧ-пучки, покрывающие многочисленные параллельные ВЧ принятые пучки для увеличения частоты кадров изображения при построении 2Ό- и 30-изображений, и в котором по меньшей мере один из указанных 1-, 2- и 3-го сигналов получают для каждого из указанных параллельных принятых пучков.
29. 29. Способ по п.25 или 28, в котором коррекции аберрации для одного направления излученного пучка оценивают с помощью сильно сфокусированного ВЧ-пучка, после чего излучают широкие ВЧ- и

    - 44 014167

    НЧ-пучки при многочисленных параллельных ВЧ принятых пучках для увеличения частоты кадров 2Όи 30-изображений, используя коррекции аберрации для каждого ВЧ принятого пучка, вычисленные из оцененных коррекций аберрации, полученных с помощью сфокусированных ВЧ излученных пучков.
30. 30. Способ по п.10, в котором полный интервал времени Т для принятия сигнала делят на субинтервалы Т₁, настолько короткие, что полные задержки распространения можно аппроксимировать постоянной величиной в каждом субинтервале, причем указанные полные задержки распространения определяют в процессе максимизации мощности в каждом субинтервале сигнала, который получают путем коррекции задержки указанных ВЧ принятых сигналов с указанными определенными полными задержками распространения и путем низкочастотной фильтрации ВЧ принятых сигналов с коррекцией задержки в координате медленного времени.
31. 31. Способ по пп.5, 10 или 11, в котором ВЧ принятые сигналы из ряда групп излученных импульсов сначала объединяют для формирования ряда новых ВЧ-сигналов с подавлением шума реверберации импульса, причем указанный ряд новых ВЧ-сигналов используют для оценки указанных задержек распространения и одного или всех из линейно рассеянного высокочастотного сигнала и нелинейно рассеянного ВЧ-сигнала с сильным подавлением шума реверберации импульса, при этом указанные первый и третий сигналы устанавливают равными указанному оцененному линейно рассеянному ВЧ-сигналу, а указанный второй сигнал устанавливают равным указанному нелинейно рассеянному ВЧ-сигналу.
32. 32. Способ по пп.5 и 11, в котором излучают по меньшей мере пять групп импульсов с разными амплитудами НЧ-импульса, а измеренные ВЧ принятые сигналы получают для каждой излученной группы импульсов, при этом линейно рассеянный сигнал, нелинейно рассеянный сигнал и указанные задержки нелинейного распространения и допплеровские задержки определяют из указанных измеренных ВЧ принятых сигналов в процедуре, в которой:

    a) измеренные ВЧ принятые сигналы аппроксимируют посредством модели сигнала, которая является комбинацией линейно рассеянных сигналов, нелинейно рассеянных сигналов и шума реверберации импульса, причем указанную модель сигнала определяют по параметрам задержки, представляющих собой задержки нелинейного распространения и допплеровские задержки указанных измеренных ВЧ принятых сигналов; и

    b) в качестве ВЧ-сигналов, обеспечивающих преемственность, в смысле определения, модели сигнала к измеренным сигналам, определяют оценки линейно рассеянных сигналов, нелинейно рассеянных сигналов и шума реверберации импульса для с) оценки задержки нелинейного распространения и допплеровских задержек, полученных как параметры задержки, которые минимизируют ошибку между указанной моделью сигнала и указанными измеренными ВЧ принятыми сигналами, и указанные первый и третий сигналы устанавливают равными указанному оцененному линейно рассеянному сигналу, а указанный второй сигнал устанавливают равным указанному оцененному нелинейно рассеянному сигналу.
33. 33. Способ по п.32, в котором оценки линейно рассеянных сигналов, нелинейно рассеянных сигналов и шума реверберации импульса находят как оценки, которые обеспечивают наилучшую преемственность указанной модели сигнала к указанным измеренным сигналам в смысле наименьших квадратов.
34. 34. Способ по п.32, в котором для известных или пренебрежимо малых допплеровских задержек между излученными группами импульсов излучают на одну меньше, т.е. по меньшей мере четыре группы акустических импульсов с заданными характеристиками, и в котором оценивают только задержку нелинейного распространения.
35. 35. Способ по п.19 или 22, в котором по меньшей мере один из указанных первого и второго численных нелинейных параметров/сигналов изображения используют в процессе отслеживания локальной температуры объекта во время его термической обработки.
36. 36. Способ по п.5 или 7, в котором по меньшей мере один из 1-, 2- и 3-го сигналов используют для обнаружения или построения изображения объектов с высокой податливостью, включая по меньшей мере одно из: жировых или липидных частиц, пузырьков газа, рыб или морских животных или газа в геологических структурах.
37. 37. Способ по п.1 или 7, в котором в формировании сигналов изображения используют вторую гармоническую полосу принятого сигнала.
38. 38. Способ по п.10, в котором для оценки полных задержек распространения используют вторую гармоническую полосу принятых сигналов.
39. 39. Способ по п.7, или 13, или 31, или 32, или 34, в котором указанный нелинейно рассеянный сигнал используют для обнаружения и/или построения изображения объектов с высокой податливостью, включая по меньшей мере одно из: жировых или липидных частиц, пузырьков газа, рыб или морских животных или газа в геологических структурах.
40. 40. Способ по п.7, или 13, или 31, или 32, или 34, в котором указанный нелинейно рассеянный сигнал используют для обнаружения и/или построения изображения структур в более мягких объектах с низкой податливостью, включая по меньшей мере одно из: микрокальцификаций, соединительной ткани высокой плотности в мягкой ткани или залежей в геологических структурах.
41. 41. Способ по п.1 или 7, в котором указанный объект является окрестностью нефтяной скважины.
42. 42. Способ по п.1 или 7, в котором указанный объект является рыбой или морским животным.

    - 45 014167
43. 43. Способ по п.7, или 13, или 31, или 32, или 34, в котором указанный нелинейно рассеянный сигнал используют для дифференциации между горными породами, содержащими нефть, газ или воду вблизи нефтяной скважины.
44. 44. Способ по п.19 или 22, в котором по меньшей мере один из указанных первого и второго численных нелинейных параметров/сигналов изображения используют для получения численных значений одного из следующего:

    относительный объем газа или нефти в пористой горной породе;

    изменения в объеме газа или нефти в пористой горной породе и размеры и количество рыб с плавательным пузырем или морских животных с легкими в воде.
45. 45. Способ по п.1 или 7, в котором гармонические компоненты НЧ-импульса в принятой ВЧ-полосе подавляют путем излучения НЧ-импульса без ВЧ-импульса, запоминают принятый от этого НЧимпульса ВЧ принятый сигнал и вычитают указанный запомненный ВЧ принятый сигнал из ВЧ принятых сигналов от групп излученных импульсов, которые содержат как НЧ-, так и ВЧ-импульсы.
46. 46. Способ по п.11, в котором локальный коэффициент поглощения в объекте определяют из указанного определенного запаздывания нелинейного распространения, градиента по глубине от указанного определенного запаздывания нелинейного распространения, и оценки верхней центральной частоты в ВЧ принятом сигнале и градиента по глубине от указанной оценки центральной частоты, при этом ВЧ-импульс значительную часть диапазона глубины распространяется вдоль отрицательного пространственного градиента НЧ-импульса.
47. 47. Способ по п.2, в котором ВЧ-импульсы для осуществления наблюдения используют для наблюдения за деформацией объекта из-за излучательной силы осуществляющих нажим акустических импульсов и в котором указанные импульсы для осуществления наблюдения значительную часть диапазона глубины распространяются вдоль отрицательного пространственного градиента НЧ-импульса для задания преобразования вверх по частоте от сжатия импульса указанных ВЧ-импульсов для осуществления наблюдения;

    указанные обладающие излучательной силой осуществляющие нажим импульсы излучают как:

    a) ВЧ осуществляющий нажим импульс без низкочастотного импульса или

    b) как последовательность ВЧ осуществляющих нажим импульсов вместе с НЧ-импульсами, где значительную часть диапазона глубины указанные ВЧ осуществляющие нажим импульсы распространяются вдоль положительного пространственного градиента указанных НЧ-импульсов для преобразования вниз по частоте указанных ВЧ осуществляющих нажим импульсов, так что перекрывающиеся принятые сигналы от указанных импульсов для осуществления наблюдения и указанных осуществляющих нажим импульсов могут быть разделены путем фильтрации по времени глубины (быстрому времени).
48. 48. Способ по п.1 или 7, в котором для увеличения гармонического искажения ВЧ-импульса указанный ВЧ-импульс, по меньшей мере, в ближнем диапазоне глубины располагают вблизи положительного пика давления НЧ-импульса в излученной группе импульсов, так что максимальную амплитуду ВЧимпульса можно увеличить в пределах максимально возможной благодаря механическому индексу группы.
49. 49. Способ по п.1 или 7, в котором обработка включает этапы подавления компонентов НЧимпульса в ВЧ принятом сигнале для выделения ВЧ принятого сигнала для его дальнейшей обработки и в котором подавление указанных компонентов НЧ-импульса выполняют в фильтре.
50. 50. Способ построения изображения акустических свойств нелинейного рассеяния в области объекта, в котором излучают последовательность по меньшей мере из двух групп акустических импульсов к указанной области, причем указанные группы импульсов состоят из высокочастотного (ВЧ) импульса и низкочастотного (НЧ) импульса, перекрывающихся во времени, и с теми же или перекрывающимися направлениями пучков; и между излученными группами импульсов изменяют частоту, и/или фазу, и/или амплитуду указанных излученных НЧ-импульсов относительно указанных ВЧ-импульсов для обеспечения нелинейного управления акустической упругостью указанного объекта, как наблюдается указанными ВЧ-импульсами, которые изменяются от импульса к импульсу; и указанные НЧ- и ВЧ-импульсы создают посредством отдельных решеток акустических преобразователей с отстоящими друг от друга излучательными поверхностями, так что фаза указанных НЧимпульсов изменяется относительно фазы указанных ВЧ-импульсов во всем фактическом диапазоне изображения для создания задержки нелинейного распространения указанных высокочастотных импульсов посредством указанных НЧ-импульсов, которые проявляют немонотонное изменение вдоль оси ВЧпучка, что ограничивает максимальную задержку нелинейного распространения, так что для низких амплитуд НЧ-импульса (~50 кПа) можно подавить линейно рассеянный от ткани ВЧ-сигнал и оценить нелинейно рассеянный ВЧ-сигнал через комбинацию координаты номера импульса ВЧ принятых сигналов по меньшей мере от двух импульсов без коррекций на задержки нелинейного распространения в быстром времени.
51. 51. Способ по п.50, в котором указанная решетка преобразователей для ВЧ-импульса представляет

    - 46 014167 собой линейную или криволинейную решетку, а указанная решетка преобразователей для НЧ-импульса представляет одну решетку из линейной или криволинейной решетки, установленной на одной стороне указанной ВЧ-решетки, и две линейные или криволинейные решетки, каждая из которых установлена на каждой стороне указанной ВЧ-решетки.
52. 52. Акустическое устройство для построения изображения области объекта, содержащее:

    a) излучающий преобразователь, выполненный для излучения по меньшей мере одного акустического импульса, состоящего из высокочастотного (ВЧ) и низкочастотного (НЧ) импульса с перекрывающимися направлениями пучков;

    b) принимающий преобразователь, выполненный для приема ВЧ принятых сигналов, полученных рассеянием в объекте ВЧ-импульса и/или акустических волн ВЧ-импульса, который прошел через объект; и

    c) средство обработки, выполненное для обработки ВЧ принятого сигнала, причем указанная обработка обеспечивает сигналы измерения или изображения из указанных ВЧ принятых сигналов в процессах, в которых шум реверберации импульса из-за многократного рассеяния указанного ВЧ-импульса подавляется посредством нелинейной манипуляции НЧ-импульсом свойствами упругости объекта, как наблюдается ВЧ-импульсом.
53. 53. Устройство для измерения или построения изображения акустических свойств нелинейного рассеяния и/или распространения в объекте, содержащее:

    a) средство для излучения групп акустических импульсов, состоящих по меньшей мере из одного высокочастотного (ВЧ) импульса и по меньшей мере одного низкочастотного (НЧ) импульса с одинаковыми или перекрывающимися направлениями пучков;

    b) ВЧ-преобразователь и средство приема, выполненные для приема ВЧ принятых сигналов, по меньшей мере, от рассеянных волн, полученных от указанного по меньшей мере одного ВЧ-импульса;

    c) средство обработки, выполненное для обработки ВЧ принятых сигналов по меньшей мере из двух излученных групп импульсов, причем для каждой из указанных по меньшей мере двух групп импульсов по меньшей мере один из параметров: частота, амплитуда и фаза указанного по меньшей мере одного НЧ-импульса меняется; и

    й) средство обработки, дополнительно содержащее средство для оценки задержек нелинейного распространения между ВЧ принятым сигналом, для корректировки с учетом задержек ВЧ принятых сигналов и для комбинации скорректированных с учетом задержек ВЧ принятых сигналов по меньшей мере из двух групп импульсов для получения сигналов измерения или изображения, которые представляют собой нелинейное рассеяние излученных ВЧ-импульсов из объекта, путем использования указанного по меньшей мере одного НЧ-импульса для получения нелинейного управления упругими свойствами объекта, как наблюдается указанным по меньшей мере одним ВЧ-импульсом.
54. 54. Устройство по п.52 или 53, в котором средство обработки оценивает сигналы измерения или изображения, которые представляют собой по меньшей мере один из следующих параметров:

    линейное рассеяние от объекта;

    нелинейное рассеяние от объекта;

    локальный параметр нелинейного распространения в объекте;

    локальный параметр нелинейного рассеяния от объекта;

    численный локальный параметр нелинейного распространения в объекте и локальный параметр нелинейного рассеяния от объекта.
55. 55. Устройство по п.52 или 53, в котором способ обработки выбирается контроллером устройства для наилучшей эффективности работы при ограничениях, которые установлены при производстве устройства или оператором.
56. 56. Устройство по п.52 или 53, в котором:

    a) излучающий преобразователь выполнен для излучения широкого пучка;

    b) принимающий преобразователь выполнен для приема ВЧ-сигнала из многочисленных параллельных ВЧ принятых пучков, которые содержатся в широком излученном пучке; и

    c) средство обработки выполнено для параллельной обработки ВЧ принятых сигналов их указанных параллельных ВЧ принятых сигналов так, что получают увеличенную частоту кадров изображения для построения 2Ό- и 3Б-изображений.
57. 57. Устройство по п.52 или 53, в котором:

    a) указанный излучающий преобразователь и принимающий преобразователь содержат решетку преобразователей с двумерным распределением элементов решетки; и

    b) указанный принимающий преобразователь выполнен для переадресовки принятого от отдельных элементов решетки или субапертур элементов решетки ВЧ-сигнала к указанному средству обработки; и

    c) указанное средство обработки выполнено для оценки коррекций аберрации волнового фронта из указанных ВЧ-сигналов элемента или субапертуры и содержит й) средство для наложения указанных коррекций аберрации волнового фронта на указанные ВЧ-сигналы элементов или субапертур до того, как они суммируются для формирования ВЧ принятых сигналов пучка, а также е) средство для наложения указанных коррекций аберрации волнового фронта на сигналы, излученные из указанного излучающего

    - 47 014167 преобразователя.
58. 58. Устройство по п.52 или 53, в котором средство обработки создает реконструкцию томографического изображения из ВЧ принятых сигналов.
59. 59. Устройство по п.58, в котором средство обработки основывает реконструкцию томографического изображения на оценках сигналов, которые представляют собой по меньшей мере один из следующих параметров:

    линейное рассеяние от объекта;

    нелинейное рассеяние от объекта;

    локальный параметр нелинейного распространения в объекте;

    локальный параметр нелинейного рассеяния от объекта;

    численный локальный параметр нелинейного распространения в объекте и локальный параметр нелинейного рассеяния от объекта.