專(zhuān)利名稱(chēng)：具有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)某暫铣砂l(fā)射聚焦的制作方法
具有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)某暫铣砂l(fā)射聚焦
本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)診斷超聲系統(tǒng)，具體而言涉及使用多線接收波束形成 器擴(kuò)展聚焦區(qū)域并具有降低運(yùn)動(dòng)影響的超聲系統(tǒng)。
合成聚焦原理一直是大量調(diào)査研究的主題，應(yīng)用該原理將超聲圖像聚
焦于像場(chǎng)中的每個(gè)點(diǎn)。例如，美國(guó)專(zhuān)利4,604,697 (Luthra等人)描述了一 種合成聚焦技術(shù)，在該技術(shù)中，從超聲換能器陣列的每個(gè)元件中序列發(fā)射 超聲脈沖。由該陣列的所有元件接收從每次發(fā)射所接收到的回波信號(hào)并將 其進(jìn)行存儲(chǔ)。在接收完全部信號(hào)之后，根據(jù)每個(gè)換能器元件相對(duì)于圖像中 每個(gè)點(diǎn)的位置以及超聲信號(hào)到達(dá)每個(gè)點(diǎn)并從其返回的飛行時(shí)間的知識(shí)，可 以在像場(chǎng)中每個(gè)點(diǎn)處形成聚焦回波信號(hào)。將合適的接收信號(hào)進(jìn)行合并以形 成圖像中每個(gè)點(diǎn)的相干回波信號(hào)。選擇用于形成每個(gè)點(diǎn)的所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)值為 圖像中每個(gè)點(diǎn)提供波束形成。雖然該方法能生成位于像場(chǎng)中每個(gè)點(diǎn)處的聚 焦信號(hào)，但是其仍有若干缺陷。 一個(gè)缺陷是必須存儲(chǔ)來(lái)自整個(gè)像場(chǎng)的r.f.信 號(hào)以進(jìn)行處理。這需要進(jìn)行大量的信息存儲(chǔ)。第二個(gè)缺陷是需要進(jìn)行大量 處理以對(duì)圖像中每個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇和加權(quán)，然后將合適的加權(quán)數(shù)據(jù)進(jìn) 行合并以計(jì)算圖像數(shù)據(jù)點(diǎn)。第三個(gè)缺陷是由于單換能器元件發(fā)射的能量有 限，因此該方法只對(duì)淺的穿透深度有效。
采用合成聚焦基本原理的一個(gè)具體應(yīng)用是常規(guī)延遲及求和接收波束形 成器，在該波束形成器中施加于來(lái)自每個(gè)接收元件的信號(hào)上的延遲等同于 合成聚焦技術(shù)中的數(shù)據(jù)選擇。常規(guī)波束形成器是這些原理的有限應(yīng)用，因 其發(fā)射聚焦于特定聚焦區(qū)域的發(fā)射波束并且動(dòng)態(tài)聚焦僅沿著這一單發(fā)射波 束的回波。從而需要多次發(fā)射以掃描整個(gè)像場(chǎng)。由此產(chǎn)生的功效是不需要 存儲(chǔ)所有發(fā)射到圖像中每個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；立即處理從一次發(fā)射接收到的數(shù)據(jù) 以形成沿波束方向的相干回波信號(hào)。其局限性在于每個(gè)接收到的波束在發(fā) 射時(shí)只聚焦于所選的聚焦區(qū)域。但是由于啟動(dòng)多個(gè)換能器元件發(fā)射波束， 從而能夠獲得適當(dāng)穿透，因此提高了較深處的信噪比。美國(guó)專(zhuān)利6,231,511 (Bae等人)以及Bae等人后續(xù)發(fā)表的題為"A Study of Synthetic- Aperture Imaging with Virtual Source Elements in B- Mode Ultrasound Imaging Systems"的文章(正EE Trans. UFFC 47巻2000年第6 期1510頁(yè)及之后各頁(yè))中提出合并標(biāo)準(zhǔn)聚焦波束形成器與合成聚焦的相 關(guān)方面以提高常規(guī)聚焦區(qū)域之外的橫向分辨率，從而實(shí)現(xiàn)在像場(chǎng)中所有點(diǎn) 處的發(fā)射聚焦效果。該方法是基于標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射波束焦點(diǎn)處的"虛源元件"假 說(shuō)提出的，該標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射波束從該"虛源"向內(nèi)和向外輻射能量。在標(biāo)準(zhǔn)發(fā) 射聚焦波束被發(fā)射之后，由接收孔徑的換能器元件接收能量并將其進(jìn)行存 儲(chǔ)。在掃描完整個(gè)像場(chǎng)之后，根據(jù)由包繞著所述場(chǎng)中每個(gè)點(diǎn)的每個(gè)虛源場(chǎng) 的各元件所接收到的信號(hào)計(jì)算該點(diǎn)處的回波信號(hào)。由于虛源模型是關(guān)于所 發(fā)射焦點(diǎn)的沙漏形(hourglass-shaped)場(chǎng)，而根據(jù)接收到的多條掃描線的 信號(hào)計(jì)算出在從焦點(diǎn)起的深度上除去的各點(diǎn)，因此將僅由一個(gè)波束成像出 焦點(diǎn)處的像點(diǎn)。結(jié)果為示出了從發(fā)射焦點(diǎn)向內(nèi)向外各點(diǎn)處橫向分辨率得到 改善的圖像。但是如上所描述的基本合成孔徑方法，必須存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)用 于處理來(lái)自每個(gè)接收孔徑中每個(gè)元件的r.f.信號(hào)。另外，生成的圖像被認(rèn) 為在焦點(diǎn)附近較暗，這是因?yàn)橹挥幸粋€(gè)發(fā)射和接收對(duì)該像點(diǎn)及其分辨率有 貢獻(xiàn)，而多個(gè)發(fā)射和接收對(duì)除該發(fā)射焦點(diǎn)以外的各點(diǎn)有貢獻(xiàn)。因此希望在 圖像中至少很大一部分上實(shí)現(xiàn)發(fā)射聚焦而不必存儲(chǔ)大量r.f.數(shù)據(jù)。
根據(jù)本發(fā)明的原理，描述了一種診斷超聲系統(tǒng)和方法，其實(shí)現(xiàn)在有意 義的場(chǎng)深上的發(fā)射聚焦而不必存儲(chǔ)r.f.信號(hào)數(shù)據(jù)。發(fā)射超聲波束，其聲穿透 多個(gè)掃描線位置的至少一部分，并且沿著多條掃描線(例如，平行的或通 過(guò)時(shí)分復(fù)用的)并行處理接收波束。 一系列此類(lèi)發(fā)射生成與合用掃描線位 置相關(guān)的多條掃描線。合并相關(guān)的掃描線數(shù)據(jù)以生成在有意義的場(chǎng)深上有 效發(fā)射聚焦的回波數(shù)據(jù)。被合并的來(lái)自多個(gè)發(fā)射時(shí)間間隔的掃描線的數(shù)量 是檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)的函數(shù)。在下文描述的示例中，超聲系統(tǒng)用多線波束形成 器接收同時(shí)發(fā)生的波束。在一些臨床應(yīng)用中，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)能夠通過(guò)減少 常要進(jìn)行多區(qū)聚焦的需求來(lái)提高存在運(yùn)動(dòng)時(shí)超聲成像的幀頻。
在附圖
中圖la-lc示出了本發(fā)明的三波束示例的波束輪廓； 圖2a-2d示出了本發(fā)明的六波束示例的波束輪廓； 圖3a-3d示出了本發(fā)明的四波束示例，其中為圖示清楚偏移前四個(gè)波 束方向圖(beampattern);
圖4a-4d示出了圖3中四波束示例的延續(xù)，從而示出了接收波束的對(duì)
準(zhǔn)；
圖5以方框圖的形式示出了根據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)建的超聲系統(tǒng)； 圖6a和6b示出了本發(fā)明的四波束示例的兩個(gè)不同波束的延遲和加權(quán) 特性；
圖7以方框圖的形式示出了一種超聲系統(tǒng)，該系統(tǒng)適應(yīng)性響應(yīng)運(yùn)動(dòng)來(lái) 調(diào)整本發(fā)明實(shí)現(xiàn)中合并的多線數(shù)量。
首先參照?qǐng)Dla-lc，重疊的波束輪廓示出了發(fā)射三個(gè)發(fā)射波束之后在每 種情況下接收來(lái)自每個(gè)發(fā)射波束的三個(gè)波束。圖la示出了低于波束中心處 強(qiáng)度峰值的穩(wěn)定水平的發(fā)射波束輪廓10，所述波束由發(fā)射該波束的換能器 陣列8發(fā)射并從該換能器陣列8中延伸出來(lái)。由設(shè)計(jì)者選擇發(fā)射波束輪廓 水平，其可以為3dB、 6dB、 20dB或低于波束中心處最大強(qiáng)度的其它水平。 可以看到波束輪廓通過(guò)常規(guī)發(fā)射聚焦而在波束輪廓寬度最窄處的焦點(diǎn)12周 圍進(jìn)行。換能器陣列8下面示出了波束20的正交視圖，可以看到該波束包 括中心瓣20a和位于主瓣20a兩側(cè)的旁瓣。發(fā)射波束在聚焦區(qū)域12處達(dá)到 其最密集聚焦并由此發(fā)散。在其他實(shí)現(xiàn)中可以使用發(fā)散的發(fā)射波束。也可 實(shí)現(xiàn)在相當(dāng)深度處的聚焦。
發(fā)射具有包繞多條接收線14、 16和18的寬度的發(fā)射波束10、 20。通 常從越小的發(fā)射孔徑進(jìn)行發(fā)射能產(chǎn)生越寬的波束。即啟動(dòng)陣列8中較少 數(shù)量的元件而該非陣列中全部數(shù)量的元件以發(fā)射波束。隨后沿三個(gè)接收線 位置14、 16和18接收和聚焦發(fā)射回波。如下面所討論的，以三種不同方 式對(duì)接收孔徑的換能器元件所接收到的回波進(jìn)行延遲并求和，以便響應(yīng)一 個(gè)發(fā)射波束而形成位于不同線位置14、 16和18處的多條線。在該示例中， 接收線14沿發(fā)射波束10、 20的中心進(jìn)行接收，橫向?qū)б⒕劢菇邮站€14 和18以在中心線兩側(cè)進(jìn)行接收。在該示例中，僅有外側(cè)線14和18的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)部分位于發(fā)射波束輪廓10之內(nèi)。在這些區(qū)域，外側(cè)線14和18接收 到來(lái)自中心線位置兩側(cè)的發(fā)射能量，由此對(duì)中心線位置兩側(cè)像場(chǎng)中的目標(biāo) 進(jìn)行取樣，進(jìn)而有效使用近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)中發(fā)射波束的橫向擴(kuò)展能量進(jìn)行圖像 接收和分辨率。
在圖lb中，已經(jīng)通過(guò)將發(fā)射孔徑向右移動(dòng)一條接收線的間隔來(lái)發(fā)射第 二波束。第二發(fā)射波束具有與第一發(fā)射波束相同的波束輪廓，并由波束輪 廓曲線10'勾勒出。如在第一波束的情況下，響應(yīng)第二發(fā)射在接收線位置16'、 18'和22處同時(shí)接收三條接收線并使其形成波束。結(jié)果，接收線16'與來(lái)自 第一發(fā)射的接收線16對(duì)準(zhǔn)，接收線18'與來(lái)自第一發(fā)射的接收線18對(duì)準(zhǔn)， 而接收線22位于第二發(fā)射中心線18'的右側(cè)。像第一組接收線一樣，存儲(chǔ) 第二組接收多線16'、 18'和22用于接下來(lái)的處理。
在圖lc中，已經(jīng)從再次向右移動(dòng)一條接收線的中心孔徑位置發(fā)射出第 三波束。該發(fā)射波束由波束輪廓10〃勾勒出，并在該發(fā)射之后同時(shí)接收三條 接收線18〃、 22'和24。像前一次的接收線一樣，這三條接收線全部或部分 位于其發(fā)射波束的波束輪廓中，且具有與上述波束各線相同的間隔。結(jié)果， 接收線18〃與第二發(fā)射的接收線18'和第一發(fā)射的接收線18軸線對(duì)準(zhǔn)，而接 收線22'與第二發(fā)射的接收線22軸線對(duì)準(zhǔn)?，F(xiàn)在，位于接收線18、 18'和18" 路徑中的目標(biāo)由來(lái)自各自不同發(fā)射波束的三條接收線進(jìn)行取樣。按照下文 所述的方式合并這些共同對(duì)準(zhǔn)的波束以生成沿該線的圖像數(shù)據(jù)線，所述波 束與任意單條線的情況相比聚焦在更深的場(chǎng)深，從而產(chǎn)生擴(kuò)展發(fā)射聚焦效 應(yīng)。由于合并來(lái)自三次波束發(fā)射的回波能量產(chǎn)生生成的圖像數(shù)據(jù)，因此將 在更深的場(chǎng)深上進(jìn)行有效地聚焦。
發(fā)射和接收以這種方式持續(xù)穿過(guò)像場(chǎng)，直到掃描完整個(gè)像場(chǎng)。每當(dāng)采 集完給定線位置的最大接收線數(shù)量(本示例中為三)時(shí)，共同處理各接收 線以生成該位置處的圖像數(shù)據(jù)線。由于接收到的r.f.信號(hào)在接收時(shí)形成多條 線的波束，從而不必存儲(chǔ)來(lái)自任何發(fā)射的求和前r.f.數(shù)據(jù)，僅有限地需要存 儲(chǔ)在線位置處的之前各行直到采集完該位置處的所有接收線，這時(shí)可對(duì)它 們進(jìn)行處理并釋放線存儲(chǔ)器以用于存儲(chǔ)后面各線。
圖2a-2d給出了本發(fā)明的另一示例，其中發(fā)射波束輪廓30包括六個(gè)接 收線位置處的全部或部分接收線，在圖2a中以31-36標(biāo)示。不同于第一個(gè)示例，在該示例中，發(fā)射波束中心沒(méi)有接收線。取而代之，中心接收線33
和34在波束中心的兩側(cè)間隔有接收線間距的一半。外側(cè)接收線32和35在 近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)處位于波束輪廓30之內(nèi)，最外側(cè)接收線31和36只有近場(chǎng)部分 位于發(fā)射波束輪廓之內(nèi)?？筛鶕?jù)下面說(shuō)明確定在圖像數(shù)據(jù)形成中不使用近 場(chǎng)行部分31和36。
如圖2b中第二發(fā)射波束的輪廓30'所示，下一發(fā)射波束發(fā)射到第一發(fā) 射波束右側(cè)一個(gè)接收線距。在接收線位置32'、 33'、 34'、 35'、 36'和37處 再次同時(shí)接收六條接收線并形成波束?？梢钥吹竭@些接收線的前五個(gè)與第 一發(fā)射波束的接收線32、 33、 34、 35和36對(duì)準(zhǔn)，從而在這些線位置中的 每處提供用于處理的第二接收線。圖2c示出了發(fā)射第三發(fā)射波束和接收該 波束輪廓30〃內(nèi)的六條接收線之后的結(jié)果?，F(xiàn)在有在線位置33〃、 34〃、 35〃 和36〃處接收到的全部或部分三條接收線，在位置37'處接收到的全部或部 分兩條接收線，而在位置38處的部分一條接收線。如圖2d所示的波束輪 廓30〃'，隨著第四發(fā)射，有在線位置34〃'、 35〃'和36〃'處接收到的全部或部 分四條接收線，在線位置37'處接收到的全部或部分三條接收線，在線位置 38'處接收到的全部或部分兩條接收線，而在位置39處有接收到的部分一條 接收線?？梢钥吹?，當(dāng)以這種方式持續(xù)掃描時(shí)，除了在末端處將如本示例 中所示地接收到較少條線以外，在跨越孔徑大部分的線位置處會(huì)接收到全 部或部分六條接收線。當(dāng)合并接收線數(shù)據(jù)形成圖像數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)接收線位 置處的采樣次數(shù)越多將產(chǎn)生越有效的發(fā)射聚焦。
可以使用數(shù)量更多的同時(shí)接收線，例如八條、十二條或十六條間隔 開(kāi)的同時(shí)接收線，這樣可以在發(fā)射時(shí)使用較少的數(shù)量F來(lái)聲穿透較寬范圍 的接收線位置。
圖3和圖4示出了本發(fā)明的另一個(gè)示例，其使用來(lái)自每個(gè)發(fā)射波束的 四條接收線。在這些附圖中，逐次的波束和接收線組并不重疊，而是為了 圖示清楚而豎直對(duì)準(zhǔn)。每個(gè)發(fā)射波束40-l、 40-2、 40-3等由指向下的虛線 箭頭示出，并且將來(lái)自每個(gè)發(fā)射波束的接收線在對(duì)應(yīng)發(fā)射波束的兩側(cè)以實(shí) 線箭頭示出。圖3a-3d示出了前四個(gè)發(fā)射-接收序列，且發(fā)射波束40-n向右 移動(dòng)用于每個(gè)相繼發(fā)射時(shí)間間隔的一個(gè)接收線間隔。在該發(fā)射-接收序列的 最后可以看到接收到的四條接收線都與接收線44對(duì)準(zhǔn)，這四條接收線為來(lái)自第二波束的接收線44-l、來(lái)自第三波束的接收線44-2以及來(lái)自第四波 束的接收線44-3。合并這四條接收線以生成位于像場(chǎng)中這些接收線處的圖 像數(shù)據(jù)線。
圖4a-4d示出了前述發(fā)射-接收序列的繼續(xù)，其具有每個(gè)發(fā)射波束四條 同時(shí)接收線的四個(gè)多發(fā)射-接收時(shí)間間隔。在這些附圖中，接下來(lái)四個(gè)發(fā)射 波束以40-5、 40-6、 40-7和40-8示出。如這些附圖所示，現(xiàn)在有在線位置 44、 45、 46、 47和48處接收到的四條接收線。在這些位置中每個(gè)位置處接 收到四條接收線之后，能夠合并這四條線形成一個(gè)圖像數(shù)據(jù)線，并刪除所 存儲(chǔ)的接收線，以便可在相同存儲(chǔ)位置存儲(chǔ)隨后各線。每當(dāng)接收到包括四 條對(duì)準(zhǔn)線的組的另外第四線時(shí)，能夠合并該組的四條線以在該位置處形成 圖像數(shù)據(jù)線，并形成供隨后各線使用的存儲(chǔ)器。序列以這種方式繼續(xù)，接 收每個(gè)發(fā)射波束跨像場(chǎng)的四條接收線，從而可在除像場(chǎng)橫向末端之外全部 區(qū)域上的每個(gè)線位置處合并四條接收線。
圖5以方框圖的形式示出了根據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)建的超聲成像系統(tǒng)。超 聲探頭102包括由各換能器元件構(gòu)成的換能器陣列104。由發(fā)射波束形成器 106在相應(yīng)的延遲時(shí)間啟動(dòng)所選擇的換能器元件組，以便沿著該陣列從(一 個(gè)或多個(gè))期望起點(diǎn)開(kāi)始發(fā)射波束，該波束在期望方向上聚焦于所選擇聚 焦區(qū)域。發(fā)射波束形成器通過(guò)發(fā)射/接收開(kāi)關(guān)耦合到換能器元件，該發(fā)射/ 接收開(kāi)關(guān)可包括保護(hù)接收器輸入使之免于所施加的高電壓發(fā)射脈沖的交叉 點(diǎn)開(kāi)關(guān)。向多線處理器110a-110n的輸入施加由陣列104中每個(gè)換能器元件 響應(yīng)于每個(gè)發(fā)射波束所接收到的回波。每個(gè)多線處理器包括施加其自身延 遲集合的接收波束形成器，以及如果必要，也包括變跡加權(quán)器，其用于對(duì) 從各陣列元件接收到的回波進(jìn)行加權(quán)以形成來(lái)自相同發(fā)射波束的經(jīng)不同導(dǎo) 引的接收波束。例如，在美國(guó)專(zhuān)利6,695,783 (Henderson等人)和美國(guó)專(zhuān) 利5,318,033 (Savord)中可獲得用于多線處理器110a-110n的合適的多線 波束形成器。多線處理器110a-110n的輸出耦合到線存儲(chǔ)器112，該線存儲(chǔ) 器112至少存儲(chǔ)接收到的多線直到已經(jīng)采集到形成顯示數(shù)據(jù)線所需的所有 多線。向?qū)?yīng)的各個(gè)乘法器116a-116n施加形成特定顯示數(shù)據(jù)線所使用的多 線組，以生成相應(yīng)線位置的顯示數(shù)據(jù)。如果必要，可以由變跡加權(quán)器 114a-114n對(duì)來(lái)自每條線的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)?？傊@些加權(quán)器會(huì)根據(jù)每條線的往返脈沖響應(yīng)對(duì)該條線進(jìn)行加權(quán)。能夠通過(guò)設(shè)振^"艱(X, Z)為像場(chǎng) 中位置(X，Z)處點(diǎn)通過(guò)發(fā)射波陣面的聲透射振幅而獲得合適的加權(quán)算法， 方位角位置X=0對(duì)應(yīng)于發(fā)射波束的中心軸。設(shè)X為與接收到的多線相對(duì)于 發(fā)射波束軸線的方位角。為形成深度Z處的圖像點(diǎn)而向該接收到的多線施 加的權(quán)重為
孜重U Z)=嚴(yán)腐(《Z)
為了確定適當(dāng)?shù)难舆t特性，設(shè)傳/f一好A7(X,Z)為發(fā)射波陣面到達(dá)位置U，
z)處的點(diǎn)所需要的傳播時(shí)間，方位角x-O再次對(duì)應(yīng)于發(fā)射波束的中心軸。 設(shè)X為接收線相對(duì)于發(fā)射波束軸線的方位角。為形成深度Z處的圖像點(diǎn)而 向該接收到的多線所施加的延遲為
延遲(兀z)=傳潘—好/坊o: z)-傳潘—好/審("z)
其中，/爭(zhēng)/,—好/坊(o，z)為到達(dá)位于軸線外同樣深度處的點(diǎn)的時(shí)間。
例如，函數(shù)嚴(yán)^r(兀z)和傳潘一y^/坊acz)可通過(guò)模擬發(fā)射場(chǎng)獲得。 計(jì)算傳播時(shí)間的合適方式是使用來(lái)自以若干頻率的單頻模擬的場(chǎng)相位延 遲。通過(guò)對(duì)以若干頻率的場(chǎng)振幅求平均可以計(jì)算出振幅。另外，可以向各 加權(quán)器施加依賴深度的標(biāo)準(zhǔn)化。其用公因子乘以給定深度處的所有加權(quán)器。 例如，可以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行選擇以便斑點(diǎn)區(qū)域具有深度相關(guān)的均勻亮度。通 過(guò)根據(jù)深度的函數(shù)改變各加權(quán)器，可以隨深度動(dòng)態(tài)改變孔徑的大小和形狀 (變跡)。
不需要從模擬本系統(tǒng)中所使用的確切發(fā)射特性獲得振幅和傳播時(shí)間。 例如，設(shè)計(jì)者可選擇使用不同的孔徑大小或不同的變跡。
來(lái)自每條線的各回波由乘法器116a-116n進(jìn)行加權(quán)，并由延遲線 118a-118n進(jìn)行延遲?？傊?，如上所示，這些延遲與發(fā)射波束中心到接收線 位置的位置相關(guān)。使用延遲來(lái)補(bǔ)償存在于具有不同發(fā)射-接收波束位置組合 的多線間存在的相移變化，從而合并信號(hào)的相差不會(huì)引起信號(hào)對(duì)消。
應(yīng)當(dāng)領(lǐng)會(huì)到在數(shù)字系統(tǒng)中，可通過(guò)在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)經(jīng)加權(quán)的多線回波數(shù)據(jù)以及隨后讀出數(shù)據(jù)(這實(shí)現(xiàn)了必要的延遲)來(lái)實(shí)現(xiàn)延遲線。也可以使 用不同長(zhǎng)度的移位存儲(chǔ)器和時(shí)鐘信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字延遲，或者可以使用如前
面提到的美國(guó)專(zhuān)利6,695,783中描述的內(nèi)插波束形成器。延遲的信號(hào)由加法 器120進(jìn)行合并，且合成信號(hào)被耦合到圖像處理器122。該圖像處理器可執(zhí) 行掃描轉(zhuǎn)換或其他處理來(lái)改進(jìn)所顯示的圖像。在圖像顯示器124上顯示生 成的圖像。
在圖5的系統(tǒng)中，延遲線118和加法器120實(shí)現(xiàn)了對(duì)從若干接收多線 接收的各信號(hào)進(jìn)行重聚焦，所述接收多線在給定方向上共同對(duì)準(zhǔn)。重聚焦 操作為從使用每個(gè)多線的不同發(fā)射波束位置引起的相差進(jìn)行調(diào)整，從而防 止合并信號(hào)中的非預(yù)期相位對(duì)消。加權(quán)器114與發(fā)射波束和多線位置的接 近度相關(guān)地加權(quán)多線的貢獻(xiàn)，從而將更高的權(quán)重給予具有更高信噪比的接 收波束。這產(chǎn)生沿每條接收線的擴(kuò)展的場(chǎng)深以及由于在每條接收線方向上 多個(gè)取樣的合并引起的穿透性提高(信噪比提高)。
在圖4a-4d的示例中可以看到，每條接收到的多線只與其他共同對(duì)準(zhǔn) 的多線合并使用一次。這意味著本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)不需要第二組加權(quán)器114、乘 法器116和延遲器118，因?yàn)檫@些加權(quán)和延遲效應(yīng)可由多線處理器110的加 權(quán)器和延遲器實(shí)現(xiàn)，這使得該多線聚焦于合適的接收方向并解決了與相對(duì) 于要進(jìn)行合并的多線的相位和發(fā)射波束變化，所有這些都在一個(gè)過(guò)程步驟 中執(zhí)行。在接收到給定線位置的所有多線之后，將它們進(jìn)行簡(jiǎn)單求和以提 供顯示線數(shù)據(jù)。或者，將給定線位置的每條接收到的多線存儲(chǔ)在該線的線 累加器中。該線位置上每條后續(xù)接收到的多線都添加到累加器的內(nèi)容中直 到在累加器中已經(jīng)合并了該位置處全部補(bǔ)集的多線。累加器的內(nèi)容然后向 前發(fā)送給圖像處理器，釋放累加器以供另一線位置使用。
圖6a和6b示出了可在合并給定顯示線位置的各接收多線中使用的加 權(quán)和延遲特性曲線的示例。圖6a示出了接收到的多線的示例性加權(quán)和延遲 特性曲線，該多線距發(fā)射波束的中心(例如圖2b中接收到的多線33')較 遠(yuǎn)。示出的接收到的多線33'沿z方向從位于z=0處的換能器陣列表面延伸 到位于圖右側(cè)的最大掃描深度。用虛線描繪出多線的中心，其中多線33' 的該部分位于所選波束輪廓30'之外，而下面是其響應(yīng)，設(shè)計(jì)者認(rèn)為其可以 接受。于是，加權(quán)特性曲線82用這樣的權(quán)重對(duì)該多線加權(quán)，即該權(quán)重在波束輪廓之外時(shí)最小，而在多線將要用于重聚焦時(shí)為非零水平。在另外的實(shí)
現(xiàn)中，加權(quán)特性曲線82在近場(chǎng)可下降為零。這是因?yàn)樵谑┘颖匾舆t之后
回波可能太過(guò)靠近陣列或在陣列之后，從而不容許精確接收。因此，在極 近場(chǎng)中不會(huì)在多線合并中使用來(lái)自于橫向遠(yuǎn)離多線的多線。
可以看到相位特性曲線84在發(fā)射波束焦點(diǎn)處跨越零相位調(diào)整，從而在 近場(chǎng)中保持幾乎恒定，而在遠(yuǎn)場(chǎng)中逐漸降低。
圖6b示出了接收到的多線33的示例性加權(quán)和延遲特性曲線，該多線 距其發(fā)射波束中心較近。由于更加靠近，如加權(quán)特性曲線86所示，在合并 中該多線被施以較大的總體加權(quán)。增加聚焦區(qū)域附近的加權(quán)以平衡該區(qū)域 中較遠(yuǎn)處多線(例如33')加權(quán)的下降。由于橫向較遠(yuǎn)多線的延遲特性曲線 84是根據(jù)較靠近中心的多線33計(jì)算得到的，因此相位調(diào)整特性曲線88被 描繪為直線。盡管在給定的實(shí)現(xiàn)中，設(shè)計(jì)者會(huì)選擇使用緊鄰極近場(chǎng)中線位 置的發(fā)射波束的單線回波，但是在該示例中，使用多線33進(jìn)行整個(gè)圖像深 度上的重聚焦。
本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)可與各種接收函數(shù)一起使用。例如，實(shí)現(xiàn)可對(duì)來(lái)自經(jīng)聚 焦的子孔徑的信號(hào)起作用。在另一個(gè)變更中，代替本身形成接收波束，可 以使用有限數(shù)量的正交函數(shù)，例如傅立葉分量。然后可以在傅立葉空間合 并不同的發(fā)射。合并的信號(hào)并不精確對(duì)應(yīng)于接收到的圖像線。由此通過(guò)合 并傅立葉分量或子孔徑形成接收波束。變跡改變時(shí)由波束得到的函數(shù)和若 干波束的多種組合同樣落入本發(fā)明的范圍。在其它的實(shí)現(xiàn)中，可通過(guò)內(nèi)插 額外的中間多線來(lái)增加少量接收到的多線，然后應(yīng)用增加數(shù)量的多線執(zhí)行 本發(fā)明的處理過(guò)程。
圖7示出了圖5的超聲系統(tǒng)的變更，其中關(guān)注運(yùn)動(dòng)的影響。圖5所示 的示例合并了從具有不同發(fā)射-接收時(shí)間間隔的數(shù)條共同對(duì)準(zhǔn)多線所接收 的r.f.信號(hào)。由于所合并的是r.f.信號(hào)而非檢測(cè)到的信號(hào)包絡(luò)，因此在接收待 合并的多線期間圖像中沒(méi)有運(yùn)動(dòng)是十分重要的。無(wú)論像場(chǎng)中的物質(zhì)的顯著 運(yùn)動(dòng)還是探頭相對(duì)于像場(chǎng)的顯著運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生r.f.信號(hào)差值，該r.f.信號(hào)差值 在合并來(lái)自不同多線的信號(hào)時(shí)會(huì)導(dǎo)致對(duì)消而非預(yù)期的信號(hào)增強(qiáng)。這一問(wèn)題 在具有其間為合并采集更多數(shù)量多線的更長(zhǎng)采集時(shí)間間隔的情況下更為嚴(yán) 重。圖7的示例通過(guò)檢測(cè)相對(duì)的圖像運(yùn)動(dòng)以及相應(yīng)于存在運(yùn)動(dòng)調(diào)整多線的階數(shù)解決了這個(gè)問(wèn)題。運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器130接收來(lái)自圖像處理器122的連續(xù)圖
像幀，并比較圖像內(nèi)容找出指示運(yùn)動(dòng)的差別。 一種適于執(zhí)行這種操作的技 術(shù)為使連續(xù)圖像的一個(gè)或多個(gè)相同區(qū)域中圖像像素值相關(guān)聯(lián)的相關(guān)技術(shù)。 其可以通過(guò)計(jì)算兩幅圖像數(shù)據(jù)間的零延遲標(biāo)準(zhǔn)化互相關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果相關(guān) 因子較高(即，圖像幾乎完全相同)，則使用更多數(shù)量的多線(這需要更多 數(shù)量的發(fā)射-接收時(shí)間間隔)來(lái)提高場(chǎng)深。當(dāng)相關(guān)因子較低(圖像不同)時(shí)， 其可能是由于像場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)或由探頭引起，就合并較少數(shù)量的多線。適合
的相關(guān)技術(shù)為美國(guó)專(zhuān)利6,126,598中描述的絕對(duì)差最少求和(MSAD)技術(shù)， 該文獻(xiàn)以引用方式并入本文。如該專(zhuān)利所描述的，為運(yùn)動(dòng)檢測(cè)經(jīng)MSAD處 理的數(shù)據(jù)可為圖像幀期間或圖像幀之間發(fā)射的圖像區(qū)域或參考線。也可使 用多普勒技術(shù)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)，美國(guó)專(zhuān)利5,127,409 (Daigle)對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)描 述。
將運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的結(jié)果耦合到多線控制器132，該控制器根據(jù)運(yùn)動(dòng)調(diào)整多 線的發(fā)射和接收，當(dāng)存在運(yùn)動(dòng)時(shí)使用低位的多線。本示例中所作的調(diào)整為 控制發(fā)射波束形成器，以便在存在運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)射橫向包繞較少多線的F數(shù)字 更大的波束，使得所合并的多線跨越的發(fā)射時(shí)期更短?？梢允褂镁哂休^大 聚焦區(qū)域的較小發(fā)射孔徑，其在較大范圍的深度上更加均勻，從而需要較 少發(fā)射波束來(lái)覆蓋視場(chǎng)。接收時(shí)，多線控制器132控制所采用的多線處理 器的數(shù)量，存在運(yùn)動(dòng)時(shí)接收的多線越少需要多線處理器的數(shù)量越少。多線 控制器132也耦合到線存儲(chǔ)器112，以便當(dāng)存在運(yùn)動(dòng)時(shí)命令加權(quán)器114、延 遲線118和加法器120對(duì)較少數(shù)量的多線進(jìn)行重聚焦。這些調(diào)整的結(jié)果為 需要更短的時(shí)間來(lái)采集待合并的多線，與較長(zhǎng)采集時(shí)間間隔相比，較短的 時(shí)期區(qū)域受運(yùn)動(dòng)的影響較小。因此，當(dāng)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)影響較低的 穩(wěn)定像場(chǎng)時(shí)，多線控制器增加多線階數(shù)。示例性調(diào)整范圍為當(dāng)像場(chǎng)穩(wěn)定時(shí) 使用16X多線(響應(yīng)一個(gè)發(fā)射波束接收十六個(gè)多線以及合并來(lái)自十六個(gè)發(fā) 射波束的多線)，隨著運(yùn)動(dòng)量的增加，降低多線階數(shù)到8X、 4X、 2X禾口 1 X (單條線進(jìn)行發(fā)射和接收)。例如，當(dāng)在受檢者身體上移動(dòng)探頭以搜索特 定解剖結(jié)構(gòu)或好的觀看視角時(shí)，將使用標(biāo)準(zhǔn)單線成像。同樣可以根據(jù)超聲 系統(tǒng)的成像模式自動(dòng)改變多線階數(shù)。例如，當(dāng)系統(tǒng)由B模式成像變?yōu)槎嗥?勒成像時(shí)，可由多線控制器中斷多線采集。多線的等級(jí)可在成像過(guò)程中由多線控制器自動(dòng)設(shè)定，和/或可向用戶提供手動(dòng)控制來(lái)設(shè)定多線等級(jí)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將很容易想到上述示例落入本發(fā)明的范圍內(nèi)的變 更。例如，代替沿著連續(xù)的線位置進(jìn)行發(fā)射的是，發(fā)射可跳過(guò)多線發(fā)射間 的各線(多路復(fù)用)。發(fā)射可沿每隔一個(gè)線位置、每四個(gè)線位置或具有其他 多線間隔的時(shí)間間隔進(jìn)行，從而減少形成圖像所需的發(fā)射事件的數(shù)量，并 提高采集率。這也是降低運(yùn)動(dòng)偽影的方法。用較少數(shù)量的發(fā)射波束接收以 較寬線間隔的時(shí)間間隔的多線是另一種解決運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的方法。該方法可用 上面所提到的內(nèi)插線進(jìn)行擴(kuò)增來(lái)增加所要合并的線的數(shù)量。該方法還會(huì)提 高給定數(shù)量多線的場(chǎng)深的改善。所用的取樣通常是發(fā)射孔徑數(shù)量F的函數(shù)， 其決定尼奎斯特(Nyquist)采樣要求。不一定在圖像上順序地進(jìn)行掃描； 可以使用其它的發(fā)射序列，這將在存在運(yùn)動(dòng)時(shí)具有不同的響應(yīng)。雖然上述 示例具有變跡，但是沒(méi)有必要對(duì)發(fā)射、接收或多線合并進(jìn)行變跡。不必將 待合并的多線全部精確地軸向?qū)?zhǔn)。待合并的多線相互間可有橫向偏移， 從而在該多線合并時(shí)實(shí)現(xiàn)內(nèi)插。本發(fā)明的原理也可通過(guò)執(zhí)行在仰角尺寸和 方位尺寸上的處理而應(yīng)用于三維成像，也可應(yīng)用于相控陣列(扇形掃描) 成像以及線性陣列(正交掃描)成像并利用曲線陣列。
權(quán)利要求
要求保護(hù)的權(quán)利為
1、 一種用于對(duì)像場(chǎng)進(jìn)行成像的超聲診斷成像系統(tǒng)，包括 探頭，其包括換能器元件陣列；發(fā)射波束形成器，其耦合到所述換能器元件陣列，用于發(fā)射包繞多個(gè) 橫向間隔線位置的波束；多線接收波束形成器，其耦合到所述換能器元件陣列，用于響應(yīng)一個(gè)發(fā)射波束而在所述線位置處生成所述像場(chǎng)的多條接收線；多線合并電路，其對(duì)由所述多線接收波束形成器響應(yīng)多個(gè)發(fā)射波束而生成的與合用線位置相關(guān)的多條接收線做出響應(yīng)，從而用于合并所述多條接收線以生成圖像數(shù)據(jù)；運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器，其用于檢測(cè)所述像場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的存在；以及 顯示器，其利用所述圖像數(shù)據(jù)生成圖像；其中，由所述多線合并電路所合并的接收線的數(shù)量是所述運(yùn)動(dòng)存在的 函數(shù)。
2、 如權(quán)利要求1所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中，所述多線合并電路 包括加法器，所述加法器用于合并來(lái)自所選數(shù)量不同多線的數(shù)據(jù)。
3、 如權(quán)利要求2所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中，所述多線合并電路 還包括對(duì)所述不同多線的數(shù)據(jù)做出響應(yīng)的多個(gè)延遲器，其用于調(diào)整所述多 線間的相位變化。
4、 如權(quán)利要求3所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中，所述多線合并電路 還包括多個(gè)加權(quán)電路，其用于對(duì)多線數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)。
5、 如權(quán)利要求1所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中，所述運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器還 包括對(duì)來(lái)自不同圖像的圖像數(shù)據(jù)做出響應(yīng)的相關(guān)器。
6、 如權(quán)利要求5所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中，所述相關(guān)器用于使 用絕對(duì)差計(jì)算的求和生成相關(guān)因子。
7、 如權(quán)利要求1所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中，所述發(fā)射波束形成 器進(jìn)一步用于發(fā)射呈現(xiàn)如下波束寬度的波束，所述波束寬度為在所述像場(chǎng) 中所檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)的函數(shù)。
8、 如權(quán)利要求1所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中，所述多線接收波束 形成器進(jìn)一步用于生成一數(shù)量的接收線，所述接收線的數(shù)量為所述像場(chǎng)中 所檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)的函數(shù)。
9、 一種用于在像場(chǎng)中存在運(yùn)動(dòng)的情況下生成具有擴(kuò)展聚焦范圍的超聲圖像的方法，包括從陣列換能器發(fā)射多個(gè)發(fā)射波束，每個(gè)發(fā)射波束集中于沿著所述陣列 的不同位置，并且每個(gè)發(fā)射波束包繞多個(gè)橫向間隔線位置，所述橫向間隔線位置與另外波束的橫向間隔線位置空間相關(guān)； 用所述陣列換能器接收回波信號(hào)；并行處理響應(yīng)一個(gè)發(fā)射波束所接收到的所述回波信號(hào)，以生成位于所 述波束的所述橫向間隔線位置處的多條接收線的回波信號(hào)； 針對(duì)額外的發(fā)射波束重復(fù)所述并行處理步驟； 檢測(cè)所述像場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的存在；合并來(lái)自空間相關(guān)的不同發(fā)射波束的各接收線的回波信號(hào)以生成圖像 數(shù)據(jù)，所述被合并的發(fā)射波束的數(shù)量與所述像場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的存在相關(guān)；以及 使用所述圖像數(shù)據(jù)生成圖像。
10、 如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述運(yùn)動(dòng)的存在由超聲系統(tǒng)操 作者通過(guò)觀察圖像進(jìn)行檢測(cè)，其中，所述被合并的發(fā)射波束的數(shù)量通過(guò)調(diào)整超聲系統(tǒng)控制進(jìn)行設(shè)定。
11、 如權(quán)利要求9所述的方法，其中，檢測(cè)所述運(yùn)動(dòng)存在的所述步驟 還包括通過(guò)比較不同圖像的圖像數(shù)據(jù)來(lái)檢測(cè)所述運(yùn)動(dòng)存在。
12、 如權(quán)利要求ll所述的方法，其中，所述比較步驟還包括通過(guò)計(jì)算 絕對(duì)差求和使不同圖像的圖像數(shù)據(jù)相關(guān)。
13、 如權(quán)利要求9所述的方法，其中，檢測(cè)所述運(yùn)動(dòng)存在的所述步驟 還包括通過(guò)多普勒技術(shù)檢測(cè)所述運(yùn)動(dòng)存在。
14、 如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述發(fā)射步驟還包括發(fā)射呈現(xiàn) 如下波束寬度的多個(gè)發(fā)射波束，所述波束寬度為所述像場(chǎng)中所檢測(cè)到的運(yùn) 動(dòng)的函數(shù)。
15、 如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述并行處理步驟還包括響應(yīng) 一個(gè)發(fā)射波束生成一數(shù)量的接收線，所述接收線的數(shù)量為所述像場(chǎng)中所檢 測(cè)到的運(yùn)動(dòng)的函數(shù)。
16、 如權(quán)利要求9所述的方法，還包括存儲(chǔ)響應(yīng)不同發(fā)射波束所生成 的一數(shù)量的接收線，所述接收線的數(shù)量為在所述像場(chǎng)中所檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)的 函數(shù)。
17、 一種用于對(duì)像場(chǎng)進(jìn)行成像的超聲診斷成像系統(tǒng)，包括 探頭，其包括換能器元件陣列；發(fā)射波束形成器，其耦合到所述換能器元件陣列，用于發(fā)射包繞多個(gè) 橫向間隔線位置的波束；多線接收波束形成器，其耦合到所述換能器元件陣列，用于響應(yīng)一個(gè) 發(fā)射波束在所述線位置處生成所述像場(chǎng)的多條接收線；多線合并電路，其對(duì)由所述多線接收波束形成器響應(yīng)多個(gè)發(fā)射波束而 生成的與合用線位置相關(guān)的多條接收線做出響應(yīng)，從而用于合并所述多條 接收線以生成圖像數(shù)據(jù)；運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器，其用于檢測(cè)所述像場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的存在；以及顯示器，其利用所述圖像數(shù)據(jù)生成圖像；其中，由所述發(fā)射波束形成器所發(fā)射的所述波束為所述運(yùn)動(dòng)存在的函數(shù)。
18、 如權(quán)利要求17所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中，所述發(fā)射波束的橫向尺寸為所述運(yùn)動(dòng)存在的函數(shù)。
19、 如權(quán)利要求17所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中，所述發(fā)射波束的 橫向間隔為所述運(yùn)動(dòng)存在的函數(shù)。
20、 一種用于對(duì)像場(chǎng)進(jìn)行成像的超聲診斷成像系統(tǒng)，包括探頭，其包括換能器元件陣列；發(fā)射波束形成器，其耦合到所述換能器元件陣列，用于發(fā)射包繞多個(gè) 橫向間隔線位置的波束；多線接收波束形成器，其耦合到所述換能器元件陣列，用于響應(yīng)一個(gè) 發(fā)射波束在所述線位置處生成所述像場(chǎng)的多條接收線；多線合并電路，其對(duì)由所述多線接收波束形成器響應(yīng)多個(gè)發(fā)射波束而 生成的與合用線位置相關(guān)的多條接收線做出響應(yīng)，從而用于合并所述多條 接收線以生成圖像數(shù)據(jù)；運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器，其用于檢測(cè)所述像場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的存在；以及顯示器，其利用所述圖像數(shù)據(jù)生成圖像；其中，由所述多線接收波束形成器所使用的所述線位置的間隔為所述 運(yùn)動(dòng)存在的函數(shù)。
全文摘要
一種超聲診斷成像系統(tǒng)通過(guò)為多線接收發(fā)射沿陣列間隔的多個(gè)波束而生成具有擴(kuò)展聚焦范圍的圖像。多個(gè)發(fā)射波束的接收多線空間對(duì)準(zhǔn)并與各自接收多線間的相位調(diào)整合并以防止非預(yù)期相位對(duì)消。合并的多線生成擴(kuò)展發(fā)射焦點(diǎn)效應(yīng)，以便使用合并多線生成的圖像呈現(xiàn)出擴(kuò)展聚焦范圍。為防止運(yùn)動(dòng)偽影，可根據(jù)圖像運(yùn)動(dòng)調(diào)整多線階數(shù)。
文檔編號(hào)A61B8/00GK101442937SQ200780016756
公開(kāi)日2009年5月27日 申請(qǐng)日期2007年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月12日
發(fā)明者J·羅貝爾, M·伯切 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司