TWI521223B - 超音波成像裝置及其方法 - Google Patents

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TWI521223B TW101104563A TW101104563A TWI521223B TW I521223 B TWI521223 B TW I521223B TW 101104563 A TW101104563 A TW 101104563A TW 101104563 A TW101104563 A TW 101104563A TW I521223 B TWI521223 B TW I521223B
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Description

超音波成像裝置及其方法
本發明是與一種超音波成像的裝置與方法有關，且特別是與利用線性或非線性頻率調變之發射波形的諧波成像裝置與方法有關。
一般超音波影像是由線性散射回來的基頻信號來成像，而基頻信號容易受到相位誤差(phase aberration)的影響而造成影像品質不佳。諧波信號(harmonic signal)是聲波在人體組織傳遞時，由有限振幅失真現象(finite amplitude distortion)慢慢產生，或是由超音波微氣泡對比劑(microbubble contrast agents)等強烈非線性介質所產生的信號。在進行組織影像時，由於一開始諧波強度比基頻信號的強度低，而導致當聲波散射回探測器(probe)時，通過人體表淺脂肪層所造成的相位誤差較小，使得組織諧波影像較不容易受到相位誤差影響，而有較高的影像對比解析度。因此，組織諧波影像在臨床診斷上被廣泛使用。在進行對比劑諧波影像時，所使用的對比劑是由許多微小氣泡構成，當這些小氣泡被聲波激發時會產生共振，在共振中會產生許多傳回探測器之很強的諧波信號，因此臨床上會將對比劑注射進入血管內，此時血液區域也會因充滿微小氣泡而產生較強諧波信號，來讓血管構造與血液灌流情形更加清楚，也就是具有更高的對比度。
超音波基頻訊號跟諧波訊號最大的不同，在於回音信號頻率範圍不同。由測量物所反射回來之頻率f0的回音信號進行成像，所得之影像被稱為基頻影像(fundamental imaging)。所謂的諧波影像(harmonic imaging)就是取出頻率為2f0、3f0等高頻諧波信號來成像。由於這些諧波信號是由介質對入射聲波的非線性反應而來的，因此諧波影像亦可稱為非線性影像(nonlinear imaging)。所以，利用設定接收範圍以設計出低頻或高頻濾波器，便可以選擇最後所得到的是基頻或是諧波影像。諧波信號中通常以二次諧波(second harmonic signal)具有較大之強度，因此較常被作為運用及討論。
雖然諧波影像因具有較高的影像品質而在臨床診斷上受到重視，不過其訊號強度微弱導致影像的靈敏度(sensitivity)以及穿透性(penetration)均受到相當的影響。例如，即使是諧波訊號最強之聚焦處往往仍與基頻信號相差20dB以上。因此已有部份相關研究與發明著重在於諧波強度的增加，以利於臨床上得到高品質的超音波影像。
本發明提供一種超音波成像裝置及方法，其係根據一組線性或非線性頻率調變之發射信號來進行超音波成像。
本發明提供一種超音波成像裝置，其包括信號發射單元與信號接收單元。信號發射單元會將一發射信號發射至一待測物，其中發射信號包括線性或非線性調變的一上掃 信號與一下掃信號。其中，上掃信號的瞬時頻率係隨著時間增高，而下掃信號的瞬時頻率則隨著時間降低。信號接收單元會接收從待測物所反射的上掃信號與下掃信號的互調變成分，並接收從待測物所反射的上掃信號的二次諧波成分或下掃信號的二次諧波成分。影像處理單元係連接至信號接收單元，並根據上掃信號與下掃信號的互調變成分，以及上掃信號的二次諧波成分或下掃信號的二次諧波成分，來進行超音波成像以得到一超音波影像。
本發明提供一種超音波成像方法，其包括以下步驟。首先，發射一發射信號至一待測物，其中發射信號包括具有線性或非線性調變的一上掃信號與一下掃信號，上掃信號的瞬時頻率係隨時間增高，而該下掃信號的瞬時頻率則隨時間降低。接著，接收從待測物所反射的上掃信號與下掃信號之間所耦合而產生的一互調變成分，以及接收從待測物所反射的上掃信號的二次諧波成分或下掃信號的二次諧波成分。然後，根據前述之互調變成分以及二次諧波成分，來進行超音波成像以得到一超音波影像。
基於上述說明，本發明提出一種超音波成像的裝置與其方法，其係將一組非線性調變信號發射至待測物，並接收該組發射信號所反射之的互調變成分或二次諧波成分以進行超音波成像。
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。
首先，在說明本發明所提出的各實施例之前，將先就本發明之運作原理加以說明。在進行非線性諧波成像時，除了發射單一頻率的信號外，亦可利用多頻激發(multi-frequency excitation)的方式，在發射端同時發射多個頻率的信號。如此一來，由待測物所反射的反射信號除了一般諧波影像所使用的二次諧波信號外，更可增加了多個發射信號之間的互調變信號(inter-modulation signal)。如此，便可藉著使用這些互調變信號來提升超音波成像的品質。然而，無論是二次諧波信號或是互調變信號，都同樣會受限於較差的訊雜比(signal to noise ratio)。
本發明使用至少一組啾聲(Chirp)波形信號來進行超音波成像，所述啾聲(Chirp)波形信號可以包括上掃信號及下掃信號。另外，上掃信號及下掃信號係為線性或非線性頻率調變的啾聲波形。上掃信號的瞬時頻率會隨著時間而線性地或非線性地增高，圖1A繪示上掃啾聲波形之信號波形示意圖，其中上掃啾聲波形意指頻率隨時間逐漸增加的啾聲波形。圖1B則繪示下掃啾聲波形之信號波形示意圖，其中下掃啾聲波形意指頻率隨時間逐漸減少的啾聲波形。圖2為繪示線性及非線性之啾聲波形的瞬時頻率對時間變化的關係示意圖。所述啾聲波形信號的特性是其信號載波(carrier)的瞬時頻率會隨著時間而改變。為了要避免信號的瞬時壓力過大而造成待測物的組織損壞，發射信號的峰值(Peak Amplitude)通常具有一定之上限規範。使用啾聲波形的信號的好處在於可以在不加大信號的峰值 的情況下，將發射信號拉長來增加發射能量以提升非線性諧波的訊雜比，並可藉由脈衝壓縮來維持其軸向解析度(Axial Resolution)。
圖2A及圖2B繪示線性及非線性之啾聲波形的瞬時頻率對時間變化的關係示意圖，其中所繪示內容包括上掃信號UPS及下掃信號DWS。圖2A及圖2B中的實線部分表示利用線性調變的上掃信號UPS以及下掃信號DWS與時間之對應關係，而虛線部分則表示利用非線性調變的上掃信號UPS及下掃信號DWS與時間之對應關係。
圖2A所繪示下掃信號DWS的中心頻率f2大於上掃信號UPS的中心頻率f1的情況。上掃信號UPS的瞬時頻率是在脈衝(Pulse)時間的長度T之間，從頻率f1-△f逐漸增加至頻率f1+△f，其中△f為頻率的改變量。下掃信號DWS的瞬時頻率則是在時間T內，從頻率f2+△f逐漸降低至頻率f2-△f。上掃信號UPS的瞬時頻率f i1(t)及下掃信號DWS的瞬時頻率f i2(t)可以利用以下數學式(1)來表示： 其中s(t)為一隨時間呈線性或非線性變化的非負函數，例如常見的二次項(quadratic)、對數(logarithm)、指數(exponential)等函數，但本發明並不限定於上述函數及其組合。圖2B所示則為下掃信號DWS的中心頻率f1小於上掃信號UPS的中心頻率f2的情況，其中兩信號的瞬 時頻率對應於時間之變化關係可以利用以下數學式(2)來表示，在此不再贅述： 從待測物接收到的反射信號中，除了上掃信號及下掃信號的二次諧波成分外，亦包含發射信號之間經耦合而產生的互調變成分，其包括有頻率和成分及頻率差成分。利用上述的式子(1)及(2)，我們可以獲得頻率和成分的瞬時頻率f i_sum (t)和頻率差成分的瞬時頻率f i_diff (t)，可以表示為以下數學式(1)和數學式(2)：f i_sunt (t)=f2+f1 (3)
f i_diff (t)=f2-f1 m2s(t) (4)，其中，頻率f2大於頻率f1，上掃信號及下掃信號的中心頻率則各為頻率f2及頻率f1中之一者(如同圖2A或圖2B所示)。由(3)可知，瞬時頻率f i_sunt (t)的頻率和成分如同一單頻弦波，具窄頻寬，因而較不會和其他信號產生頻譜重疊之互相干擾問題。再者，由(4)可知頻率差成分的瞬時頻率f i_diff (t)亦為一啾聲波形信號，其之瞬時頻率在頻率(f2-f1)-2△f及(f2-f1)+2△f之間會隨時間而變化。因此，頻率差成分可藉由適當壓縮濾波來維持其之軸向解析度，並用於提高非線性影像的品質。
一般非線性諧波成像的另一個問題在於，探測器之頻寬使用效果不佳。在實際應用中，發射器與探測器往往係被整合成同一裝置，並具有相同之設定之頻寬。圖3A所 繪示者為於一般應用中，非線性諧波影像探測器發射端與接收端之頻譜示意圖。請參照圖3A，由於在發射頻率為f之信號時，必須預留接收頻率2f之二次諧波信號的頻寬，因此造成在發射端及接收端都僅能使用到一半之頻寬。
圖3B所繪示為根據本發明一實施例之發射端與接收端之頻譜示意圖。請參照圖3B，若發射端發射中心頻率分別為頻率f1及f2的上掃信號及下掃信號，而在接收端則可以使用相同頻寬來接收上掃信號的二次諧波(中心頻率2f1)，以及前述用來提升非線性成像品質之兩發射信號的互調變信號中的頻率差之成分(中心頻率f2-f1)。因此，以上述的頻寬考量配合上掃啾聲波形信號及下掃啾聲波形信號的實施之下，本發明除了具有使用上述實施方式之優點外，更得以更充分的利用發射端及接收端的頻寬。
以下將說明本發明之實施方式。圖4為根據本發明一實施例之超音波成像裝置的功能方塊圖。請參照圖4，超音波成像裝置10包括有信號發射單元110、信號接收單元120，以及影像處理單元121。信號發射單元110會將一發射信號對FS1發射至待測物150。值得一提的是，信號發射單元110、信號接收單元120可被整合為一探測器(probe)130，並使用相同之頻寬。發射信號對FS1包括上掃信號及下掃信號。在本實施例中，上掃信號的瞬時頻率係隨著時間線性或非線性增高，而下掃信號的瞬時頻率則隨著時間線性或非線性降低。上掃信號及下掃信號之技術細節如同上所說明，在此不贅述。
信號接收單元120會接收由待測物150所反射之二次諧波成分SF及互調變成分SI。請同時參照圖2A，當上掃信號的中心頻率小於下掃信號的中心頻率(如同圖2A所示之情況)時，信號接收單元120會接收上掃信號的二次諧波成分(中心頻率2f1)，並同時接收上掃信號及下掃信號的互調變成分SI中的頻率差成分(中心頻率(f 2-f 1))。同理，請同時參照圖2B，當上掃信號的中心頻率大於下掃信號的中心頻率(如圖2B所示情況)時，信號接收單元120則會接收下掃信號的二次諧波成分(中心頻率2f1)，並同時接收上掃信號及下掃信號的互調變成分SI中的頻率差成分(中心頻率(f 2-f 1))。影像處理單元121會從信號接收單元120，接收上掃信號及下掃信號的互調變成分SI中的頻率差成分，與上掃信號之二次諧波成分(或下掃信號之二次諧波信號)，並根據前述所接收的信號進行超音波成像，並輸出一超音波影像IMG。
在本發明的另一實施例中，信號發射單元110更可同時額外發射另一頻率調變啾聲波形的補充信號。由於前述之原理可適用於多頻激發中發射信號為任一雙頻之組合，於是運用相同之原理，信號接收單元120會接收自待測物150所反射的上掃信號的二次諧波成分、下掃信號的二次諧波成分，與補充信號的二次諧波成分，以及上掃信號與下掃信號的互調變成分、上掃信號與補充信號的互調變成分，與下掃信號與補充信號的互調變成分。同時影像處理單元121會根據上述之信號成分，進行超音波成像以得到 超音波影像IMG。信號接收單元120所接收的二次諧波成分SF及互調變成分SI，將視上掃信號、下掃信號及補充信號的中心頻率及探測器頻寬的設定而進行不同之設置，本發明不限定於上述。
圖5為根據本發明的一實施例之超音波成像方法的方法流程圖。請參照圖5，首先於步驟S601時，將具有頻率調變的上掃信號與下掃信號的發射信號發射至待測物，其中上掃信號的瞬時頻率係隨時間增高，而下掃信號的瞬時頻率則隨時間降低。接著，於步驟S602時，接收從待測物所反射的上掃信號與下掃信號的互調變信號，以及接收從待測物所反射的上掃信號的二次諧波成分或下掃信號的二次諧波成分。然後，於步驟S603時，根據上掃信號與下掃信號的互調變成分，以及上掃信號的二次諧波成分或下掃信號的二次諧波成分，來進行超音波成像以得到超音波影像。本實施例各步驟的實施細節請參考前述說明，不在此贅述。
圖6為根據本發明之一實施例的模擬結果。請參照圖6之頻譜圖，實線所示為從待測物所反射之接收信號的頻寬。在該模擬中發射信號係設定成中心頻率為f1=2.25MHz之啾聲波形，以及中心頻率為f2=4.5MHz之啾聲波形，兩者均為線性頻率調變但其掃頻方向相反。結果可以看到頻率位於(4.5-2.25)=2.25MHz處的互調變成分之頻率差成份為一寬頻信號，且頻率差成份之頻寬可以和頻率位於2×2.25MHz=4.5MHz處的二次諧波成份，具有相同的寬頻頻帶。 因此，由圖6的模擬結果可以發現接收信號於頻率2.25MHz的頻率差成份，與頻率於4.5MHz的二次諧波成份所得到的信號頻寬十分接近。也就是說，上述之兩者具有同樣的軸向解析度。另外，位於頻率(4.5+2.25)=6.75MHz處的互調變成分的頻率和成分為窄頻之信號，因此此一頻率和成分，對於相鄰的位於2×2.25MHz=4.5MHz處的二次諧波成分亦不會造成干擾。儘管此一模擬結果係使用線性頻率調變之啾聲發射信號，但非線性頻率調變之啾聲發射信號亦是在同樣的頻率範圍作變化，所以使用非線性頻率調變之啾聲發射信號亦會得到一個相似的結果。
綜上所述，本發明提出一種超音波成像裝置及其方法，利用一組線性或非線性頻率調變之啾聲波形訊號進行超音波成像，可使得超音波成像可具有較好的訊雜比，並同時維持互調變信號中頻率差成分信號頻寬，以及避免互調變信號中頻率和成分對二次諧波成像造成干擾，以提升諧波成像的影像品質。
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。
10‧‧‧超音波成像裝置
110‧‧‧信號發射單元
120‧‧‧信號接收單元
121‧‧‧影像處理單元
130‧‧‧探測器
150‧‧‧待測物
FS1‧‧‧發射信號對
SF‧‧‧二次諧波成分
SI‧‧‧互調變成分
IMG‧‧‧超音波影像
f1‧‧‧信號中心頻率
f2‧‧‧信號中心頻率
T‧‧‧時間
S601~S603‧‧‧步驟
圖1A繪示為上掃啾聲波形之信號波形示意圖。
圖1B繪示為下掃啾聲波形之信號波形示意圖
圖2A為線性及非線性之啾聲波形的瞬時頻率對時間變化的關係示意圖。
圖2B為繪示線性及非線性之啾聲波形的瞬時頻率對時間變化的關係示意圖。
圖3A為一般在應用中非線性諧波影像探測器發射端與接收端之頻譜示意圖。
圖3B為根據本發明一實施例之發射端與接收端之頻譜示意圖。
圖4為根據本發明一實施例之超音波成像裝置的功能方塊圖。
圖5為根據本發明一實施例之超音波成像方法的步驟流程圖。
圖6為根據本發明一實施例的模擬結果。
10‧‧‧超音波成像裝置
110‧‧‧信號發射單元
120‧‧‧信號接收單元
121‧‧‧影像處理單元
130‧‧‧探測器
150‧‧‧待測物
FS1‧‧‧發射信號對
SF‧‧‧二次諧波信號
SI‧‧‧互調變信號
IMG‧‧‧超音波影像

Claims (10)

  1. 一種超音波成像裝置，其包括：一信號發射單元，其會將一發射信號發射至一待測物，其中該發射信號包括同時發射的線性或非線性頻率調變的一上掃信號與一下掃信號，其中：該上掃信號的瞬時頻率係隨著時間增高，該下掃信號的瞬時頻率係隨著時間降低，並且該上掃信號與該下掃信號的中心頻率不同；一信號接收單元，其會接收從該待測物所反射的該上掃信號與該下掃信號的一互調變成分，並且接收從該待測物所反射的該上掃信號的一二次諧波成分，或是該下掃信號的一二次諧波成分；以及一影像處理單元，其係連接至該信號接收單元，並根據該上掃信號與該下掃信號所耦合而產生的該互調變成分，以及該上掃信號的該二次諧波成分或是該下掃信號的該二次諧波成分，來進行該超音波成像以得到一超音波影像。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的超音波成像裝置，其中該上掃信號及該下掃信號為線性或非線性頻率調變之啾聲波形。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的超音波成像裝置，其中該上掃信號的中心頻率係大於該下掃信號的中心頻率，並且該信號接收單元會接收具有該上掃信號與該下掃信號 之互調變頻率差成分，以及該下掃信號之該二次諧波成分，以進行該超音波成像。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的超音波成像裝置，其中該上掃信號的中心頻率係小於該下掃信號的中心頻率，該信號接收單元會接收具有該下掃信號與該上掃信號之互調變頻率差成分，以及該上掃信號之該二次諧波成分，以進行該超音波成像。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的超音波成像裝置，其中該信號發射單元更會同時將一補充信號發射至該待測物，其中該補充信號係為一線性或非線性頻率調變之啾聲波形；以及該影像處理單元係根據該上掃信號與該下掃信號的該互調變成分、該上掃信號與該補充信號的該互調變成分信號，與該下掃信號與該補充信號的該互調變成分，以及該上掃信號的該二次諧波成分、該下掃信號的該二次諧波成分，或該補充信號的一二次諧波成分，來進行該超音波成像以得到該超音波影像。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的超音波成像裝置，該信號發射單元與該信號接收單元整合為一探測器。
  7. 一種超音波成像方法，包括：將一發射信號發射至一待測物，其中該發射信號包括具有同時發射之線性或非線性頻率調變的一上掃信號與一下掃信號，該上掃信號的瞬時頻率係隨時間增高，且該下掃信號的瞬時頻率係隨時間降低，並且 該上掃信號與該下掃信號的中心頻率不同；接收從該待測物所反射的該上掃信號與該下掃信號的一互調變成分，以及接收從該待測物所反射的該上掃信號的一二次諧波成分，或是該下掃信號的一二次諧波成分；以及根據該上掃信號與該下掃信號的該互調變成分，以及該上掃信號的該二次諧波成分或是該下掃信號的該二次諧波成分，來進行該超音波成像得到一超音波影像。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的超音波成像方法，其中該上掃信號的中心頻率係大於該下掃信號的中心頻率，該超音波成像方法更包括：接收具有該上掃信號與該下掃信號之互調變頻率差成分，以及該下掃信號之該二次諧波成分，以進行該超音波成像。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的超音波成像方法，其中該上掃信號的中心頻率係小於該下掃信號的中心頻率，該超音波成像方法更包括：接收具有該下掃信號與該上掃信號之互調變頻率差成分，以及該上掃信號之該二次諧波成分，以進行該超音波成像。
  10. 如申請專利範圍第7項所述的超音波成像方法更包括：同時將一補充信號發射至該待測物，其中該補充信號係為一線性或非線性頻率調變之啾聲波形；以及 根據該上掃信號與該下掃信號的該互調變成分、該上掃信號，與該補充信號的該互調變成分，和該下掃信號與該補充信號的該互調變成分，以及該上掃信號的該二次諧波成分、該下掃信號的該二次諧波成分，或該補充信號的一二次諧波成分，來進行該超音波成像以得到該超音波影像。
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