TWI453404B - 超音波成像系統及其影像處理方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種成像系統及其影像處理方法，且特別係關於一種超音波成像系統及其影像處理方法。
一般而言，超音波成像系統通常包括探頭，此探頭藉由傳輸線連接到超音波成像系統的資料處理模組與影像顯示模組。探頭一般包括超音波換能器(transducer)陣列。在醫學超音波檢查中，探頭利用其換能器的相位陣列產生的短而強的聲音脈衝製造聲波，並將超音波能量傳送到待測區域。該等換能器再接收由該區域返回之反射的超音波能量。
該等換能器將所接收到的超音波能量轉換為電壓訊號，並傳送至資料處理模組。該資料處理模組利用波束成形技術組合來自換能器的訊號，以產生待測區域的超音波檢測影像。然而，在醫學超音波檢查中，超音波影像的解析度對檢測結果的判讀具有舉足輕重的地位。利用目前習知的超音波成像系統來進行檢測時，所得的檢測影像仍未臻理想。因此，提供一個更好的超音波成像系統及其影像處理方法來獲得對比更清晰的超音波檢測影像有其必要性。
本發明之一實施例提出一種影像處理方法，適用於一超音波成像系統。影像處理方法包括如下步驟：(a)取得多筆原始訊號資料(raw signal)；(b)判斷原始訊號資料是否符合條件群組中的其中之一條件，並將符合條件群組者映射至多筆預設的常數資料其中之一，以產生一次疊代後的多筆第一數據資料；(c)根據一運算公式對不符合條件群組的原始訊號資料進行運算，以產生一次疊代後的多筆第二數據資料；(d)對第一及第二數據資料同時進行波束成形處理(beamforming)；(e)對波束成形處理所得的數據資料進行轉換，以獲得經處理之影像。
本發明之另一實施例提出一種超音波成像系統，包括訊號收發模組、訊號處理模組以及影像顯示模組。訊號收發模組接收取得多筆原始訊號資料。訊號處理模組判斷原始訊號資料是否符合條件群組中的其中之一條件，並將符合條件群組者映射至多筆預設的常數資料其中之一，以產生一次疊代後的多筆第一數據資料。訊號處理模組根據一運算公式對不符合條件群組的原始訊號資料進行運算，以產生一次疊代後的多筆第二數據資料。訊號處理模組再對第一及第二數據資料同時進行波束成形處理。訊號處理模組對波束成形處理所得的數據資料進行轉換。影像顯示模組根據波束成形處理所得的數據資料之轉換結果，顯示經處理之影像。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
本發明之範例實施例所提出的影像處理方法適用在各種不同設計架構的超音波成像系統。此方法在前端的超音波探頭發射並接收取得原始訊號資料後，即利用所設定的選擇性條件群組及運算公式來進行原始訊號資料的篩選及運算等操作。再者，針對原始訊號資料的處理，此方法可根據實際設計需求，進行一次或重複多次的疊代運算(iteration)，來達到提高影像對比之目的。當經由上述程序處理完原始訊號資料後，此方法再進行一般後端所謂的波束成形作成像後，即可得到較習知未經前端處理的方法對比更清晰的影像。為更清楚地瞭解本發明，以下將配合圖式，以至少一範例實施例來作詳細說明。
圖1繪示本發明實施例之超音波成像系統的方塊示意圖。請參考圖1，本實施例之超音波成像系統100包括訊號收發模組110、訊號處理模組120以及影像顯示模組130。訊號收發模組110包括換能器陣列單元112及驅動單元114。在本實施例中，驅動單元114用以提供驅動訊號至換能器陣列單元112內的各換能器，以觸發各該換能器將超音波訊號傳遞至待測區域200。換能器陣列單元112被觸發後產生超音波訊號，並發射該超音波訊號至一待測區域200(例如人體組織部位或其傳輸媒介)。接著，由待測區域200反射的超音波反射波再被換能器陣列單元112所接收，以使其後的訊號處理模組120可取得相關於待測區域的原始訊號資料S。在本實施例中，反射波的影像訊號例如是習知超音波系統之B模式原始訊號資料(B-mode raw signal)，而所謂的原始訊號資料係指尚未經波束成形處理的訊號資料。
在本實施例中，換能器陣列單元112在接收到待測區域200所反射的反射波之後，可將該等類比的反射波訊號轉換為數位訊號。換句話說，本實施例之換能器陣列單元112可更包括類比數位轉換器，用於將該等類比形式的反射波訊號轉換為數位訊號，但本發明並不限於此。在其他實施例中，類比數位轉換功能也可由驅動單元114內部的電路來執行，或者由訊號收發模組110與訊號處理模組120之間的介面電路來執行，本發明並不加以限制。
在取得相關於待測區域200的原始訊號資料S後，本實施例之訊號處理模組120先對原始訊號資料進行篩選，之後再依據實際設計需求進行單次或多次的數學疊代運算。
詳細而言，本實施例之訊號處理模組120包括資料選擇單元122、資料運算單元124、波束成形單元126以及掃描轉換單元128。資料選擇單元122用以判斷原始數據資料是否符合一條件群組，並將符合此條件群組者映射至多筆預設的常數資料，以產生一次疊代後的多筆第一數據資料。在此，上述條件群組可根據實際應用預先設定於資料選擇單元122。在底下的範例實施例中，原始訊號資料S中符合條件群組者以原始訊號資料S1表示，原始訊號資料S中不符合條件群組者以原始訊號資料S2表示。也就是說，符合條件群組的原始訊號資料S1與不符合條件群組的原始訊號資料S2之聯集等於資料選擇單元122所接收的原始訊號資料S。
圖2繪示本發明實施例之符合條件群組的原始訊號資料與第一數據資料的映射關係。請參照圖1及圖2，本實施例之條件群組包括多個預設值以及多個預設範圍，其例示如圖2，但本發明並不限於此。條件群組之預設值包括-1、0、1及e，其中e為自然對數的基底，其值為2.71828182845905。資料選擇單元122判斷其所接受的原始訊號資料S是否等於預設值-1、0、1、e其中之一。若原始訊號資料S經判斷後係等於預設值-1、0、1、e其中之一，則資料選擇單元122將符合條件群組之原始訊號資料S1映射至預設的常數資料，以產生對應各原始訊號資料的第一數據資料S1’。舉例而言，在圖2中，S1代表符合條件群組的原始訊號資料，S1’代表藉由映射至預設常數資料而產生的第一數據資料。若相關於待測區域200的原始訊號資料S1等於預設值-1，則資料選擇單元122將原始訊號資料S1=-1映射至預設常數資料S1’=-1，即S1=-1，S1’=-1。類似地，若原始訊號資料S1等於預設值0或1，則資料選擇單元122分別將原始訊號資料0或1映射至預設常數資料0或1，即S1=0，S1’=0；S1=1，S1’=1。此外，若原始訊號資料S1等於預設值e，則資料選擇單元122分別將原始訊號資料e映射至預設常數資料-S1，即S1=e，S1’=-S1。
另一方面，本實施例之條件群組之預設範圍包括-e<S1<-1、-1<S1<0、0<S1<1及1<S1<e。資料選擇單元122亦判斷其所接受的原始訊號資料S1是否落在上述預設範圍。若原始訊號資料S1經判斷後係落在上述預設範圍其中之一，則資料選擇單元122將符合條件群組之原始訊號資料S1映射至預設的常數資料，以產生對應各原始訊號資料的第一數據資料S1’。舉例而言，若相關於待測區域200的原始訊號資料S1落在預設範圍0<S1<1時，則資料選擇單元122將原始訊號資料S1映射至預設常數資料S1’=0，即0<S1<1，S1’=0。類似地，若原始訊號資料S1落在預設範圍-1<S1<0時，則資料選擇單元122將此原始訊號資料S1映射至預設常數資料0，即-1<S1<0，S1’=0。此外，若原始訊號資料S1落在預設範圍-e<S1<-1時，則資料選擇單元122將此原始訊號資料S1映射至預設常數資料S1，即-e<S1<-1，S1’=S1。若原始訊號資料S1落在預設範圍1<S1<e時，則資料選擇單元122將此原始訊號資料S1映射至預設常數資料-S1，即1<S1<e，S1’=-S1。因此，利用本實施例之條件群組先對原始訊號資料進行篩選，可降低額外的雜訊，並增強原有的反射波訊號。
在資料選擇單元122利用上述條件群組的預設值及預設範圍對原始訊號資料S進行初步的篩選之後，資料運算單元124再根據運算公式對不符合上述條件群組的原始訊號資料S2進行運算，以產生一次疊代後的多筆第二數據資料S2’。並且，由於本實施例之原始訊號資料S已經過上述條件群組進行初步的篩選，因此可降低資料運算單元124的運算處理時間。
具體而言，本實施例之運算公式例示如下：
S2’=S2×(ln|S2|)-S2
其中，S2’為第二數據資料，S2為不符合條件群組的原始訊號資料，ln|S2|為S2取絕對值後的對數函數值。換句話說，本實施例之運算公式包括各原始訊號資料S2自身的一特定函數值ln|S2|與各原始訊號資料自身的四則運算。在此，該特定函數例如為對數函數，而四則運算包括乘法與減法。
在本實施例中，根據圖2所例示的條件群組，若原始訊號資料S2<-e或S2>e，即屬不符合上述條件群組的原始訊號資料，則資料運算單元124會根據上述運算公式對S2<-e或S2>e的原始訊號資料進行處理，以獲得對應的第二數據資料。例如，所得的原始訊號資料S2若為3，即不符合所預設的條件群組，因此資料運算單元124會把原始訊號資料S2=3代入上述運算公式，以獲得一次疊代後的第二數據資料。在取得一次疊代後的第一及第二數據資料之後，資料選擇單元122與資料運算單元124可據此重複進行上述資料篩選與運算的步驟，以獲得多次疊代後所產生的第一及第二數據資料。
接著，在取得一次或多次疊代後的第一及第二數據資料之後，波束成形單元126對其所接收的數據資料同時進行波束成形與聚焦操作。如前所述，換能器陣列單元112中的各換能器用以接收待測區域200反射出的反射波。對各該換能器而言，其延遲時間各不相同，因此需要一個波束成形電路來對各該反射波的影像訊號進行不同的延遲。是以，波束成形單元126包括一波束成形電路來適當地將微分延遲引入到所接收的各影像訊號中，以動態地聚焦訊號，進而產生出精確的待測區域的影像(或稱為經處理之影像)。
接下來，掃描轉換單元128將來自波束成形單元126的訊號自極座標轉換為直角座標，以獲得用直角座標來表示訊號強度及相位的I/Q資料(I/Q data)。然後，掃描轉換單元128將I/Q資料進行格式轉換，以使I/Q資料可供影像顯示模組130在其顯示屏幕132上顯示。與習知的影像相較，經由本實施例之影像處理方法處理過的原始訊號資料，在經後端的成像處理後(即經處理之影像)，可提高超音波成像系統的影像對比。
圖3繪示本發明實施例之影像處理方法的步驟流程圖。請同時參照圖1及圖3，本實施例之影像處理方法例如可以適用在圖1所示的超音波成像系統中，其包括如下步驟。首先，在步驟S300中，利用超音波成像系統100的訊號收發模組110，接收多筆原始訊號資料S。接著，在步驟S302中，判斷原始訊號資料S是否符合例如圖2所示的條件群組中的其中之一條件，並將符合條件群組的原始訊號資料S1映射至多筆預設的常數資料其中之一，此步驟並可重複執行，以產生一次或多次疊代後的多筆第一數據資料S1’。之後，在步驟S304中，根據一運算公式對不符合條件群組的原始訊號資料S2進行一運算，此步驟並可重複執行，以產生一次或多次疊代後的多筆第二數據資料S2’。繼之，在步驟S306中，同時對一次或多次疊代後所產生的第一及第二數據資料進行波束成形處理。接著，在步驟S308中，對波束成形處理所得的數據資料進行轉換，以獲得待測區域200的影像(即經理處之影像)。
值得一提的是，針對原始訊號資料的處理，此方法可根據實際設計需求，進行一次或重複多次的疊代運算，來達到提高影像對比之目的。因此，此方法執行完步驟S304後可回到步驟S302，對已獲得的一次疊代後的第一及第二數據資料再次執行資料篩選及運算的處理。此際，在步驟S306中，其所處理者係經多次疊代後所產生的第一及第二數據資料。另一方面，本實施例之影像處理方法可用軟體或可程式化邏輯陣列(FPGA，Field Programmable Gate Array)晶片或其他軟硬體等方式來實現，本發明並不加以限制。
另外，本發明之實施例的影像處理方法可以由圖1~圖2實施例之敘述中獲致足夠的教示、建議與實施說明，因此不再贅述。
綜上所述，在本發明之範例實施例中，影像處理方法在前端取得原始訊號資料後，即利用所設定的選擇性條件群組及運算公式來進行原始訊號資料的篩選及運算等操作，並根據實際需求，進行一次或重複多次的疊代運算，來達到提高影像對比之目的。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．超音波成像系統
110．．．訊號收發模組
112．．．換能器陣列單元
114．．．驅動單元
120．．．訊號處理模組
122．．．資料選擇單元
124．．．資料運算單元
126．．．波束成形單元
128．．．掃描轉換單元
130．．．影像顯示模組
132．．．顯示屏幕
200．．．待測區域
S300、S302、S304、S306、S308．．．影像處理方法的步驟
S．．．原始訊號資料
S1．．．符合條件群組的原始訊號資料
S2．．．不符合條件群組的原始訊號資料
S1’．．．第一數據資料
S2’．．．第二數據資料
圖1繪示本發明實施例之超音波成像系統的方塊示意圖。
圖2繪示本發明實施例之符合條件群組的原始訊號資料與第一數據資料的映射關係。
圖3繪示本發明實施例之影像處理方法的步驟流程圖。
S300、S302、S304、S306、S308．．．影像處理方法的步驟
Claims (19)
- 一種影像處理方法，適用於超音波成像系統，該影像處理方法包括：(a)取得多筆原始訊號資料；(b)判斷該些原始訊號資料是否符合條件群組中的其中之一條件，並將符合該條件者映射至多筆預設的常數資料其中之一，以產生一次疊代後的多筆第一數據資料；(c)根據一運算公式對不符合該條件群組的該些原始訊號資料進行運算，以產生一次疊代後的多筆第二數據資料；(d)同時對該些第一及第二數據資料進行波束成形處理；以及(e)對該波束成形處理所得的數據資料進行轉換，以獲得經處理之影像。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像處理方法，更包括：針對所產生的該些第一及第二數據資料，重複進行(b)步驟及(c)步驟，以獲得經多次疊代後所產生的該等第一及第二數據資料。
- 如申請專利範圍第2項所述之影像處理方法，其中在(d)步驟中，該影像處理方法係針對經一次或多次疊代後所產生的該等第一及第二數據資料同時進行該波束成形處理。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像處理方法，其中 在(b)步驟中，該條件群組包括多個預設值，若該等原始訊號資料係滿足該等預設值其中之一，將滿足該等預設值其中之一的各該原始訊號資料映射至該等預設的常數資料其中之一，以產生該等第一數據資料。
- 如申請專利範圍第4項所述之影像處理方法，其中若該等原始訊號資料係滿足該些預設值其中之一，將滿足該等預設值其中之一的各該原始訊號資料映射至該等預設的常數資料其中之一的情況包括：若S1=-1，將S1映射至-1，以產生S1’=-1；若S1=0，將S1映射至0，以產生S1’=0；若S1=1，將S1映射至1，以產生S1’=1；以及若S1=e，將S1映射至-S1，以產生S1’=-S1，其中S1為滿足該等預設值-1、0、1、e其中之一的該等原始訊號資料；S1’為第一數據資料；e為自然對數的基底。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像處理方法，其中在(b)步驟中，該條件群組包括多個預設範圍，若該等原始訊號資料係落在該等預設範圍其中之一，將落在該等預設範圍其中之一的各該原始訊號資料映射至該等預設的常數資料其中之一。
- 如申請專利範圍第5項所述之影像處理方法，其中若該等原始訊號資料係落在該等預設範圍其中之一，將落在該等預設範圍其中之一的各該原始訊號資料映射至該等預設的常數資料其中之一的情況包括： 若-e<S1<-1，將S1映射至S1，以產生S1’=S1；若-1<S1<0，將S1映射至0，以產生S1’=0；若0<S1<1，將S1映射至0，以產生S1’=0；以及若1<S1<e，將S1映射至-S1，以產生S1’=-S1，其中S1為落在該等預設範圍其中之一的該等原始常數資料；S1’為第一數據資料；e為自然對數的基底。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像處理方法，其中在(c)步驟中，該運算公式包括各該原始訊號資料自身的特定函數值與各該原始訊號資料自身的運算。
- 如申請專利範圍第8項所述之影像處理方法，其中在(c)步驟中，該運算公式如下：S2’=S2×(ln|S2|)-S2其中，S2’為第二數據資料，S2為不符合該條件群組的原始訊號資料，ln|S2|為S2取絕對值後的自然對數函數值。
- 一種超音波成像系統，包括：訊號收發模組，以取得多筆原始訊號資料；訊號處理模組，判斷該些原始訊號資料是否符合條件群組中的其中之一條件，並將符合該條件群組者映射至多筆預設的常數資料其中之一，以產生一次疊代後的多筆第一數據資料；根據一運算公式對不符合該條件群組的該等原始訊號資料進行運算，以產生一次疊代後的多筆第二數據資料；同時對該等第一及第二數據資料進行波束成形處理；以及對該波束成形處理所得的數據資料進行轉換；以 及影像顯示模組，根據該波束成形處理所得的數據資料之轉換結果，顯示經處理之影像。
- 如申請專利範圍第10項所述之超音波成像系統，其中該訊號處理模組包括：資料選擇單元，判斷該等原始訊號資料是否符合該條件群組中的其中之一條件，並將符合該條件群組者映射至多筆預設的常數資料其中之一，以產生一次疊代後的該些第一數據資料；資料運算單元，根據該運算公式對不符合該條件群組的該等原始訊號資料進行該運算，以產生一次疊代後的該些第二數據資料；波束成形單元對該等第一及第二數據資料同時進行該波束成形處理；以及掃描轉換單元，對該波束成形處理所得的數據資料進行該轉換。
- 如申請專利範圍第10項所述之超音波成像系統，其中該訊號處理模組針對所產生的該些第一及第二數據資料，重複判斷該些第一及第二數據資料是否符合該條件群組，以及重複對不符合該條件群組的該些第一及第二數據資料進行該運算，以獲得經多次疊代後所產生的該等第一及第二數據資料。
- 如申請專利範圍第10項所述之超音波成像系統，其中該訊號處理模組係針對經一次或多次疊代後所產 生的該等第一及第二數據資料同時進行該波束成形處理。
- 如申請專利範圍第10項所述之超音波成像系統，其中該條件群組包括多個預設值，若該等原始訊號資料滿足該等預設值其中之一，該訊號處理模組將滿足該等預設值其中之一的各該原始訊號資料映射至該些預設的常數資料其中之一。
- 如申請專利範圍第14項所述之超音波成像系統，其中若該等原始訊號資料係滿足該等預設值其中之一，將滿足該等預設值其中之一的各該原始訊號資料映射至該等預設的常數資料其中之一的情況包括：若S1=-1，將S1映射至-1，以產生S1’=-1；若S1=0，將S1映射至0，以產生S1’=0；若S1=1，將S1映射至1，以產生S1’=1；以及若S1=e，將S1映射至-S1，以產生S1’=-S1，其中S1為滿足該些預設值-1、0、1、e其中之一的該等原始訊號資料；S1’為第一數據資料；e為自然對數的基底。
- 如申請專利範圍第10項所述之超音波成像系統，其中該條件群組包括多個預設範圍，若該等原始訊號資料係落在該等預設範圍其中之一，該訊號處理模組將落在該等預設範圍其中之一的各該原始訊號資料映射至該等預設的常數資料其中之一。
- 如申請專利範圍第16項所述之超音波成像系統，其中若該等原始訊號資料係落在該等預設範圍其中之 一，將落在該等預設範圍其中之一的各該原始訊號資料映射至該等預設的常數資料其中之一的情況包括：若-e<S1<-1，將S1映射至S1，以產生S1’=S1；若-1<S1<0，將S1映射至0，以產生S1’=0；若0<S1<1，將S1映射至0，以產生S1’=0；以及若1<S1<e，將S1映射至-S1，以產生S1’=-S1，其中S1為落在該等預設範圍其中之一的該原始訊號資料；S1’為第一數據資料；e為自然對數的基底。
- 如申請專利範圍第10項所述之超音波成像系統，其中該運算公式包括各該原始訊號資料自身的特定函數值與各該原始訊號資料自身的運算。
- 如申請專利範圍第14項所述之超音波成像系統，其中該運算公式如下：S2’=S2×(ln|S2|)-S2其中，S2’為第二數據資料，S2為不符合該條件群組的原始訊號資料，ln|S2|為S2取絕對值後的自然對數函數值。
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