專利名稱：用于空間復(fù)合的回顧性動態(tài)發(fā)射聚焦的制作方法
用于空間復(fù)合的回顧性動態(tài)發(fā)射聚焦
本發(fā)明涉及醫(yī)療診斷超聲系統(tǒng)，并具體涉及使用回顧性動態(tài)發(fā)射聚焦 以執(zhí)行空間復(fù)合的超聲系統(tǒng)。
合成聚焦的原理已經(jīng)成為大量研究的主題，通過合成聚焦在像場中的
每個(gè)點(diǎn)上聚焦超聲圖像。例如，美國專利4,604,697 (Luthra等人)描述了 一種合成聚焦技術(shù)，其中從超聲換能器陣列的每個(gè)元件按順序發(fā)射超聲脈 沖。由陣列的所有元件接收從每次發(fā)射接收到的回波信號并存儲這些回波 信號。在已經(jīng)接收到所有信號后，通過獲知每個(gè)換能器元件相對于圖像中 的每個(gè)點(diǎn)的位置以及超聲信號去到每個(gè)點(diǎn)并返回的飛行時(shí)間，可以在像場 中的每個(gè)點(diǎn)處形成聚焦回波信號。將適當(dāng)?shù)慕邮招盘栠M(jìn)行組合以便針對圖 像中的每個(gè)點(diǎn)形成相干回波信號。對用來形成每個(gè)點(diǎn)的存儲數(shù)據(jù)值的選擇 為圖像中的每個(gè)點(diǎn)提供了波束形成。雖然這一方法將在像場中的每一點(diǎn)處 產(chǎn)生聚焦信號，但其存在幾個(gè)缺點(diǎn)。缺點(diǎn)之一是必須存儲來自整個(gè)像場的 射頻信號以便進(jìn)行處理。這需要巨大的信息存儲量。缺點(diǎn)之二在于需要巨 大的處理量以便為圖像中的每個(gè)點(diǎn)選擇數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)加權(quán)，然后將適當(dāng)加 權(quán)的數(shù)據(jù)進(jìn)行組合以計(jì)算圖像數(shù)據(jù)點(diǎn)。缺點(diǎn)之三在于這一方法僅對淺的穿 透深度有效，因?yàn)橛蓡蝹€(gè)換能器元件發(fā)射的能量是有限的。
利用合成聚焦基本原理的一個(gè)具體應(yīng)用是傳統(tǒng)的延遲相加 (delay-and-sum)接收波束形成器，其中應(yīng)用于來自每個(gè)接收元件的信號 的延遲等效于合成聚焦技術(shù)中的數(shù)據(jù)選擇。傳統(tǒng)的波束形成器是這些原理 的有限應(yīng)用，因?yàn)樗l(fā)射聚焦到特定聚焦區(qū)域的發(fā)射波束并僅沿這一單一 發(fā)射波束的方向動態(tài)聚焦回波。因此需要多重發(fā)射來掃描整個(gè)像場。由此 產(chǎn)生的功效在于不需要為到圖像中每個(gè)點(diǎn)的所有發(fā)射存儲數(shù)據(jù)；立即處理 從發(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。局限性在于每個(gè) 接收到的波束僅聚焦發(fā)射到所選擇的聚焦區(qū)域。但是更大深度處的信噪比 得以改進(jìn)，因?yàn)閱恿硕鄠€(gè)換能器元件以發(fā)射波束，使得能夠獲得合理的穿透。
美國專利6，231，511 (Bae等人)以及Bae等人后來在正EE Trans.UFFC 第47巻第6期(2000年)第1510頁及以后發(fā)表的題目為"A Study of Synthetic-Aperture Imaging with Virtual Source Elements in B-Mode Ultrasound Imaging Systems"的論文提出將標(biāo)準(zhǔn)聚焦波束形成器和合成聚焦 的方面進(jìn)行組合以改進(jìn)傳統(tǒng)聚焦區(qū)域之外的橫向分辨率，并因此在像場中 所有點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)發(fā)射聚焦的效果。這一方法的前提是基于在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射波束的 焦點(diǎn)處的"虛擬源元件"的假設(shè)，該"虛擬源元件"從這一 "虛擬源"不 僅向外而且向內(nèi)輻射能量。在發(fā)射了標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射聚焦波束之后，通過該接收 孔徑的換能器元件接收能量并存儲能量。在整個(gè)像場已被掃描之后，根據(jù) 由每個(gè)虛擬源場的元件接收的信號來計(jì)算每個(gè)點(diǎn)處的回波信號，該虛擬源 場包圍場中的該點(diǎn)。焦點(diǎn)處的像點(diǎn)將僅根據(jù)一個(gè)波束成像，因?yàn)樘摂M源模 型是繞發(fā)射焦點(diǎn)呈沙漏形的場，但是除焦點(diǎn)外更深的點(diǎn)則根據(jù)所接收的很 多掃描線信號進(jìn)行計(jì)算。據(jù)稱該結(jié)果是顯示了從發(fā)射焦點(diǎn)起向外和向內(nèi)的 點(diǎn)處的改進(jìn)橫向分辨率的圖像。但是和上述基本合成孔徑方法類似，必須 存儲巨大量的數(shù)據(jù)以便在每個(gè)接收孔徑中處理來自每個(gè)元件的射頻信號。 另外據(jù)稱得到的圖像在焦點(diǎn)周圍顯得更暗，因?yàn)閮H有一個(gè)發(fā)射和接收對該 像點(diǎn)及其分辨率有貢獻(xiàn)，而多重發(fā)射和接收對除發(fā)射焦點(diǎn)外的其他點(diǎn)有貢 獻(xiàn)。因此希望至少在圖像的重要部分上實(shí)現(xiàn)發(fā)射聚焦，而不需要存儲巨大 量的射頻數(shù)據(jù)。
在本發(fā)明人以前提出的專利申請"ULTRASONIC SYNTHETIC TRANSMIT FOCUSING WITH A MULTILINE BEAMFORMER"中，描述
了一種診斷超聲系統(tǒng)和方法，其在顯著的場深度上實(shí)現(xiàn)發(fā)射聚焦而不需要 存儲射頻信號數(shù)據(jù)。利用多線獲取來獲得響應(yīng)于發(fā)射波束的多個(gè)接收掃描 線，并且延遲和組合從像場中的點(diǎn)的聲穿透接收的回波數(shù)據(jù)以回顧性地產(chǎn) 生貫穿于像場發(fā)射聚焦的波束的效果。希望擴(kuò)展這些原理以便縮減回顧性 發(fā)射聚焦圖像中的散斑偽影。用于縮減散斑的一種技術(shù)被稱為空間復(fù)合， 通過這一技術(shù)從不同的觀察方向(孔徑)聲穿透像場中的點(diǎn)。從每個(gè)觀察 方向看到的像場具有與其他觀察方向不相關(guān)的獨(dú)特散斑圖案，從而當(dāng)將像 點(diǎn)的不同視圖進(jìn)行組合時(shí)，凈散斑偽影被縮減?？赡芟Ｍ麑仡櫺园l(fā)射聚焦圖像執(zhí)行具有比傳統(tǒng)空間復(fù)合更高功效的空間復(fù)合。
根據(jù)本發(fā)明的原理，利用多線獲取來獲得來自像場的圖像數(shù)據(jù)。在典 型的實(shí)現(xiàn)方式中，通過垂直于換能器陣列平面發(fā)射波束來獲得這種多線數(shù) 據(jù)。對由換能器陣列的不同子孔徑接收的回波數(shù)據(jù)施加延遲以產(chǎn)生回波信 號，這些回波信號有效地從不同的觀察方向引導(dǎo)到像場中的同一點(diǎn)。對圖 像中各點(diǎn)的回波信號進(jìn)行組合以縮減散斑。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式可以產(chǎn) 生空間復(fù)合的好處而不需要沿多個(gè)觀察方向發(fā)射波束，由此增大空間復(fù)合 圖像的幀頻。
在附圖中


圖1A-圖1C舉例說明了本發(fā)明的三波束示例的波束輪廓；
圖2A-圖2D舉例說明了從虛擬換能器的視角的圖像中的點(diǎn)的信號的發(fā)
展；
圖3A和圖3B舉例說明了根據(jù)本發(fā)明的原理通過回顧性變跡 (apodization )和延遲引導(dǎo)來對圖像中的點(diǎn)進(jìn)行波束引導(dǎo)；
圖4A-圖4D舉例說明了來自不同配置子孔徑的不同波束角度的引導(dǎo)； 圖5以框圖的形式舉例說明了根據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)建的超聲系統(tǒng)； 圖6A和圖6B舉例說明了在接收時(shí)已被引導(dǎo)和未被引導(dǎo)的多線延遲輪廓。
首先參考圖1A-圖1C，顯示了針對發(fā)射三個(gè)發(fā)射波束的重疊波束輪廓， 在每種情況下緊跟著接收來自每個(gè)發(fā)射波束的三個(gè)波束。圖1A顯示了在低 于波束中心處的強(qiáng)度峰值的恒定等級上的發(fā)射波束輪廓10，該波束由發(fā)射 該波束的換能器陣列8發(fā)射并且從換能器陣列8延伸。發(fā)射波束輪廓水平 由設(shè)計(jì)者選擇，并可以是3dB、 6dB、 20dB或低于波束中心處最大強(qiáng)度的 一些其他等級?？梢钥闯霾ㄊ喞ㄟ^傳統(tǒng)發(fā)射聚焦在波束輪廓最窄寬度 處的焦點(diǎn)12附近聚焦。波束20的正交視圖顯示在換能器陣列8之下，可 以看出該正交視圖包括中心波瓣20a和位于主波瓣20a每一側(cè)的副瓣。所發(fā) 射的波束在聚焦區(qū)域12處達(dá)到其最密的聚焦且在此之后發(fā)散。在其他實(shí)現(xiàn)方式中可以利用發(fā)散的發(fā)射波束。
發(fā)射具有包圍多條接收線14、 16和18的寬度的發(fā)射波束10、 20。 一 般通過從更小的發(fā)射孔徑進(jìn)行發(fā)射來產(chǎn)生更寬的波束。換句話說，啟動陣 列8的更少數(shù)量的元件而不是橫跨陣列的全部數(shù)量的元件以發(fā)射波束。沿 三個(gè)接收線位置14、 16和18接收和聚焦隨后的發(fā)射回波。如下所述，以 三種不同的方式延遲相加由接收孔徑的換能器元件接收的回波以便響應(yīng)于 一個(gè)發(fā)射波束而在不同線位置14、 16和18處形成多條線。在這一示例中， 在發(fā)射波束10、 20的中心向下接收到接收線14，并且使接收線14和18橫 向引導(dǎo)和聚焦以便在中心線的任一側(cè)進(jìn)行接收。在這一示例中，僅外部線 14和18的近場和遠(yuǎn)場部分處于發(fā)射波束輪廓10之內(nèi)。在這些區(qū)域中從中 心線位置兩側(cè)上的發(fā)射能量中接收外部線14和18，從而在中心線位置兩側(cè) 對像場中的對象進(jìn)行取樣，并因此有效利用發(fā)射波束在近場和遠(yuǎn)場的橫向 擴(kuò)散能量以用于圖像接收和分辨。
在圖1B中，通過將發(fā)射孔徑向右轉(zhuǎn)移一個(gè)接收線的間隔而發(fā)射第二波 束。該第二發(fā)射波束具有與第一發(fā)射波束相同的波束輪廓并且由波束輪廓 曲線10'勾畫出輪廓。正如第一波束的情況，響應(yīng)于接收線位置16'、 18'和 22處的第二發(fā)射而同步接收三條接收線并將其形成波束。結(jié)果，使接收線 16'與來自第一發(fā)射的接收線16對準(zhǔn)，使接收線18'與來自第一發(fā)射的接收 線18對準(zhǔn)，并且使接收線22位于第二發(fā)射的中心線18'的右側(cè)。與第一組 接收線類似，存儲第二組接收多線16'、 18'和22以用于后續(xù)處理。
在圖1C中，從再次向右轉(zhuǎn)移一個(gè)接收線的間隔的中心孔徑位置發(fā)射第 三波束。這一發(fā)射波束由波束輪廓IO"勾畫出輪廓且緊隨這一發(fā)射同步接收 三條接收線18"、 22'和24。類似于以前的接收線，這三條接收線全部或部 分處于它們的發(fā)射波束的波束輪廓內(nèi)并具有與前述波束線相同的間隔。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軸向?qū)?zhǔn)， 而接收線22'與第二發(fā)射的接收線22軸向?qū)?zhǔn)。現(xiàn)在通過接收線18、 18鄰 18"對三條接收線路徑中的對象進(jìn)行取樣，每個(gè)取樣是通過各自不同的發(fā)射 波束實(shí)現(xiàn)的。如下所述地將這些同軸對準(zhǔn)的波束進(jìn)行組合以沿著線產(chǎn)生一 行圖像數(shù)據(jù)，該線在比任何單獨(dú)線的情況更大的場深度上聚焦，從而產(chǎn)生 延伸的發(fā)射聚焦效果。該聚焦將在更大的場深度上有效，因?yàn)閷碜匀齻€(gè)波束發(fā)射的回波能量進(jìn)行了組合以產(chǎn)生合成的圖像數(shù)據(jù)。
在回顧性發(fā)射聚焦的這一示例中，以這種方式橫跨像場連續(xù)進(jìn)行發(fā)射 和接收，直到已經(jīng)掃描了全部像場。每次獲得了針對給定線位置的最大數(shù) 量(本示例中為三條)的接收線后，共同處理這些接收線以便在該位置產(chǎn) 生圖像數(shù)據(jù)的回顧性發(fā)射聚焦線。因此不需要存儲來自任何發(fā)射的預(yù)先相 加的射頻數(shù)據(jù)，因?yàn)楫?dāng)其被接收時(shí)所接收的射頻信號被波束形成
(beamformed)為多條線，且僅存在有限的需要來存儲線位置處的以前的 線，直到已經(jīng)獲得該位置處的所有接收線，這時(shí)可以處理它們并清空線存 儲器以存儲后續(xù)的線。
可以使用更高數(shù)量的同步接收線，例如8條、12條或16條間隔開的同 步接收線，對此應(yīng)該使用更低的發(fā)射數(shù)量F以聲穿透接收線位置的更大范 圍。我們前述的以前提交的序列號為60/747,148的專利申請中描述了回顧 性動態(tài)發(fā)射聚焦的其他示例，將該專利申請的內(nèi)容合并于此。
可以使用由Passman和Ermert在1996年提出的虛擬換能器近似方法來 分析回顧性動態(tài)發(fā)射聚焦的效果。參見C. Passmann & H. Ermert， "A 100-MHz ultrasound imaging system for dermatologic an ophthalmologic diagnostics" ， IEEE Trans. Ultrasonics ， Ferroelectrics and Frequency Control ， vol. 43， no. 4， pp. 545-52 (1996)。這一提議認(rèn)為可以將發(fā)射波束的焦點(diǎn)視 為聲穿透波束輪廓內(nèi)像場中每一點(diǎn)的虛擬換能器。在圖2A中示出了這一提 議的一個(gè)示例，其顯示出發(fā)射波束的換能器陣列8，該波束聚焦到焦點(diǎn)Fj。 用線31-34定義會聚到這一焦點(diǎn)并在此之后發(fā)散的發(fā)射波束的波束輪廓。發(fā) 射波束將以聲速經(jīng)過已知的時(shí)間量會聚到焦點(diǎn)F1Q在此之后，隨著波束的 波前(wavefront)球狀發(fā)散，波前需要時(shí)間量tp來聲穿透像場中的點(diǎn)P。在 介質(zhì)中的聲速已知的情況下，可以計(jì)算出時(shí)間tp和總的發(fā)射時(shí)間。
在圖2B中，從換能器陣列8發(fā)射出很多發(fā)射波束，這些波束具有示為 FrF4的焦點(diǎn)。在圖2B中也描繪了這些發(fā)射波束的波束輪廓。在這一示例 中可以看出，聚焦到焦點(diǎn)FrF3的波束聲穿透(在波束輪廓內(nèi))點(diǎn)P，而聚 焦到焦點(diǎn)F4的第四波束未聲穿透點(diǎn)P，因?yàn)辄c(diǎn)P在該第四波束的波束輪廓 35-38之外。因此，如圖2C所示，來自聲穿透點(diǎn)P的前三個(gè)發(fā)射波束的回 波的貢獻(xiàn)可以相干地組合以在點(diǎn)P處產(chǎn)生有效的聚焦信號。利用虛擬換能器分析，可以計(jì)算出波前從每個(gè)虛擬換能器焦點(diǎn)F卜F2和&傳播到聲穿透
點(diǎn)p時(shí)所需的時(shí)間，然后使該時(shí)間與延遲相等，從而相干地構(gòu)造性地將回
波進(jìn)行組合以形成聚焦到點(diǎn)P并從點(diǎn)P返回的有效信號。如圖2B所示，可 以沿整條接收線L找到來自發(fā)射聚焦的這些回波。在圖2D中舉例說明了將 來自全部孔徑FrFn的信號聚焦到點(diǎn)P所需的延遲輪廓40。正如在這一示例 中對于孔徑中心的點(diǎn)可以預(yù)料的那樣，孔徑中心的延遲是最大的，從此處 到點(diǎn)P的發(fā)射時(shí)間最短，而孔徑兩側(cè)的延遲是最小的，從此處到點(diǎn)P的發(fā) 射時(shí)間最長。在所構(gòu)造的實(shí)現(xiàn)方式中，假設(shè)中心焦點(diǎn)不需要延遲，這意味 著對中心兩側(cè)的焦點(diǎn)的延遲是根據(jù)在時(shí)間上較早的接收信號的點(diǎn)得到的負(fù) 延遲。
根據(jù)本發(fā)明的原理，利用這一回顧性發(fā)射聚焦技術(shù)以生成來自像場中 的點(diǎn)的回波信號，就好像從不同觀察方向聲穿透該點(diǎn)一樣。不同的孔徑用 于不同的觀察方向，這些孔徑給出相對地與不同觀察方向去相關(guān)的生成信 號散斑分量，從而當(dāng)將回波信號進(jìn)行組合時(shí)，降低了整體圖像散斑。參考 圖3A，其類似于圖2D，通過變跡選擇給定觀察方向上的孔徑。在這一示 例中，變跡函數(shù)50是方波，其在換能器陣列的中心元件附近具有1值，而 在陣列其他位置具有0值。應(yīng)該理解的是，可以利用其他變跡加權(quán)，例如 那些平滑變化函數(shù)或其他函數(shù)。中心變跡函數(shù)50導(dǎo)致利用(虛擬)換能器 元件焦點(diǎn)Fx、 Fy和Fz的子孔徑信號來在點(diǎn)P處形成信號。由延遲輪廓40 的突出顯示部分42延遲這些信號，以此產(chǎn)生點(diǎn)P的信號，就好像垂直于換 能器元件的平面發(fā)射的發(fā)射波束聲穿透點(diǎn)P —樣，在圖3A中用箭頭標(biāo)示出 發(fā)射波束角a2。
圖3B類似于圖3A，不同之處在于變跡函數(shù)50已經(jīng)轉(zhuǎn)移到換能器孔徑 的左側(cè)以選擇左側(cè)的子孔徑來形成P點(diǎn)的回波信號。當(dāng)選擇這一子孔徑時(shí)， 則好像從陣列左側(cè)的觀察方向詢問點(diǎn)P —樣產(chǎn)生信號。通過加權(quán)函數(shù)50選 擇陣列左側(cè)的(虛擬)換能器元件Fa、 Fb和Fc的信號并通過延遲輪廓40 的突出顯示部分44所標(biāo)示的延遲來延遲這些信號。組合信號產(chǎn)生回波等效 于沿觀察方向聲穿透點(diǎn)P，將該觀察方向從左向右引導(dǎo)如圖中箭頭所示的角 度ai。在兩個(gè)例子中，由不同子孔徑的不同延遲造成的波束引導(dǎo)導(dǎo)致具有 去相關(guān)散斑特征的點(diǎn)P信號。當(dāng)檢測并然后組合每個(gè)子孔徑的組合信號時(shí)，縮減了點(diǎn)P處的散斑偽影。
應(yīng)該理解的是，上述回顧性波束引導(dǎo)可以用于其他目的，例如引導(dǎo)線 性圖像的產(chǎn)生等。
典型的操作順序如下所示。從換能器陣列發(fā)射一系列橫向移位的波束。 通常垂直于陣列平面(Ct2方向)發(fā)射這些波束。針對每個(gè)發(fā)射波束，多線 波束形成器在不同的橫向位置接收多個(gè)波束。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，不同的 引導(dǎo)角可以用于所接收的波束。延遲和組合所接收的信號以形成接收的多 線，這些接收的多線通過我們以前提交的專利申請中所述的回顧性發(fā)射聚 焦在相當(dāng)大的場深度上聚焦?；仡櫺园l(fā)射聚焦延遲可以是分離的延遲或者 可以包括在多線波束形成器延遲內(nèi)。對接收信號的群組進(jìn)行加權(quán)和相干組 合，這影響回顧性變跡和發(fā)射波束的引導(dǎo)。每組信號針對具體觀察方向上 的不同子孔徑。 一般通過對數(shù)壓縮來檢測組合信號以得到期望的對比分辨 率，對共同點(diǎn)來自不同觀察方向的檢測信號進(jìn)行組合以形成所顯示圖像的 像點(diǎn)。
如圖4A-4D所示，使用不同孔徑可以產(chǎn)生不同的波束引導(dǎo)方向(不同 觀察方向)。在圖4A中，利用三個(gè)不同引導(dǎo)方向on、 012和013來聲穿透位于 像場中從虛擬換能器陣列起的較淺深度(聚焦深度)處的點(diǎn)Ps。每個(gè)波束 從虛擬換能器陣列的不同子孔徑發(fā)射出來，這些不同子孔徑通過不同的變 跡函數(shù)51、 53和55進(jìn)行選擇。
在圖4B中，相同的三個(gè)引導(dǎo)方向用于像場的更深的深度處的點(diǎn)PD。
為了維持引導(dǎo)的波束處于相同的角度a" Ct2和(X3，必須使用由選擇不同子
孔徑的變跡函數(shù)52、 54和56所標(biāo)示的不同子孔徑。這些子孔徑必須使用 處于不同位置和/或分布的虛擬換能器元件，以便在不同深度維持同一組觀 察方向。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到子孔徑可以像習(xí)慣上在超聲陣列系統(tǒng)中 那樣動態(tài)擴(kuò)展深度。
在圖4C和圖4D中，在淺深度點(diǎn)Ps和較深深度點(diǎn)Pd均使用相同的孔 徑。雖然很容易產(chǎn)生直角(a2)，但在較深深度處的相同孔徑51、 53、 55 的幾何形狀導(dǎo)致另兩個(gè)不太陡的角度od'和a3'。通過在不同深度使用這些稍 微不同的觀察方向?qū)ι呖s減的影響在大多數(shù)實(shí)現(xiàn)方式中可能不是顯而易 見的。圖4C-圖4D的實(shí)施方式在靠近圖像邊緣處是有益的，在這里可用于回顧性聚焦的多線數(shù)量是有限的。
圖5以框圖形式舉例說明了根據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)建的超聲成像系統(tǒng)。超
聲探測器102包括換能器元件的換能器陣列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)開始發(fā)射波束。發(fā)射波束形成器通過發(fā)射/接收開關(guān)耦連到 換能器元件，該發(fā)射/接收開關(guān)可以包括交叉開關(guān)，該交叉開關(guān)保護(hù)接收器 輸入免受所施加高壓發(fā)射脈沖的影響。將由陣列104的每個(gè)換能器元件響 應(yīng)于每個(gè)發(fā)射波束所接收的回波施加到多線處理器110a-110n的輸入上。每 個(gè)多線處理器包括接收波束形成器，該接收波束形成器應(yīng)用其自身的一組 延遲并且根據(jù)需要應(yīng)用變跡加權(quán)以對從陣列元件接收的回波進(jìn)行加權(quán)，從 而形成來自同一發(fā)射波束的經(jīng)不同引導(dǎo)的接收波束?？梢栽诶缑绹鴮＠?6,695,783 (Henderson等人)和美國專利5,318,033 (Savord)中找到用于多 線處理器110a-110n的適當(dāng)多線波束形成器。多線處理器110a-110n的輸出 耦連到線存儲器112，該線存儲器至少存儲所接收的多線直到已經(jīng)獲得形成 顯示數(shù)據(jù)線所需的所有多線。將用于形成一行特殊顯示數(shù)據(jù)的一組多線應(yīng) 用于各個(gè)乘法器116a-116n以產(chǎn)生相應(yīng)線位置的顯示數(shù)據(jù)。如果需要，可以 通過變跡加權(quán)器114a-114n對來自每條線的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)。 一般來說， 這些加權(quán)將作為每條線的發(fā)射脈沖響應(yīng)的函數(shù)而對每條線進(jìn)行加權(quán)。
在以前提交的專利申請中，提出了以下加權(quán)和延遲算法。可以通過令 項(xiàng)^^J" & J等于發(fā)射波前在像場中位置(x， z)處的點(diǎn)的聲穿透振幅來 導(dǎo)出適當(dāng)?shù)募訖?quán)算法，方位角位置x-O對應(yīng)于發(fā)射波束的中心軸線。令X 等于接受多線相對于發(fā)射波束軸線的方位角。為形成深度Z處的像點(diǎn)而施 加到這一接收多線的權(quán)重為
汰堇(X ZJ =嚴(yán)腐(X ZJ
為了確定合適的延遲特性，令/^t^7矽(x, z)等于發(fā)射波前到達(dá)位置(x， z)處的點(diǎn)所需的傳播時(shí)間，方位角x-O還對應(yīng)于發(fā)射波束的中心軸線。令 X等于接收線相對于發(fā)射波束軸線的方位角。為形成深度Z處的像點(diǎn)而施 加到這一接收多線的延遲為其中傳^^^/坊"，zj是達(dá)到在軸線上相同深度處的點(diǎn)的時(shí)間。
函數(shù)嚴(yán)腐rx zj和傳潘好/審a, zj可以例如通過發(fā)射場的仿真而 獲得。計(jì)算傳播時(shí)間的適當(dāng)方式是利用場的相位延遲在若干頻率下的單頻 仿真。可以通過對若干頻率下的場的振幅取平均來計(jì)算振幅。此外，可以 對加權(quán)應(yīng)用依賴于深度的歸一化。這將對給定深度處的所有權(quán)重均乘以共 同因子。例如，可以對歸一化進(jìn)行選擇，從而散斑區(qū)域在不同深度處具有 均勻的亮度。通過使權(quán)重作為深度的函數(shù)進(jìn)行變化，有可能動態(tài)地隨著深 度改變孔徑的尺寸和形狀(變跡)。
在本發(fā)明中，如果將整個(gè)發(fā)射孔徑的傳播時(shí)間和振幅用于延遲和加權(quán)，
則得到動態(tài)聚焦，但不實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)。為了實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)，第一種可能性是結(jié)合子 孔徑選擇器來使用整個(gè)發(fā)射的傳播時(shí)間和振幅，從而僅將延遲和加權(quán)施加 于用于給定引導(dǎo)方向的虛擬換能器，如圖3所示。子孔徑選擇器的作用是
向?qū)Σㄊ鴽]有貢獻(xiàn)的虛擬換能器應(yīng)用等于o的權(quán)重。理想情況下，子孔徑
隨深度的變化而變化。
另一種可能性是仿真由物理陣列的子孔徑所生成的場。例如，假設(shè)必 須生成三個(gè)引導(dǎo)方向的信號。那么，可以將整個(gè)發(fā)射孔徑劃分為三個(gè)子孔 徑，并針對三個(gè)子孔徑中的每一個(gè)來仿真場。將波前的振幅和傳播時(shí)間用 于相應(yīng)引導(dǎo)方向的延遲和加權(quán)。在這種情況下，子孔徑選擇器不再是必需 的，因?yàn)橥ㄟ^加權(quán)實(shí)現(xiàn)了其功能。
不需要從系統(tǒng)中所用的精確發(fā)射特性的仿真中導(dǎo)出振幅和傳播時(shí)間。 例如，設(shè)計(jì)者可以選擇使用不同的孔徑尺寸或不同的變跡。
通過乘法器116a-116n對來自每條線的回波進(jìn)行加權(quán)并通過延遲線 118a-118n對其進(jìn)行延遲。通常，如上所述，可以使這些延遲與中心在接收 線位置的發(fā)射波束的位置相關(guān)。使用這些延遲來補(bǔ)償相移變化，該相移方 差逐線存在于具有不同發(fā)射-接收波束組合的多線中，從而組合信號的相差 不會導(dǎo)致信號抵消。
應(yīng)該理解的是，在數(shù)字系統(tǒng)中，可以通過將加權(quán)的多線回波數(shù)據(jù)存儲在存儲器中并在稍后的時(shí)間讀出實(shí)現(xiàn)必要延遲的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)延遲線。不同 長度的移位寄存器和時(shí)鐘信號也可以用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字延遲，或者可以使用諸
如前面提到的美國專利6,695,783所述的內(nèi)插波束形成器。通過加法器120 組合被延遲的信號并將合成的信號耦合到圖像處理器122。圖像處理器可以 執(zhí)行掃描轉(zhuǎn)換或其他處理以改進(jìn)所顯示的圖像。所合成的圖像顯示在圖像 顯示器124上。
在圖5的系統(tǒng)中，延遲線118和加法器120實(shí)現(xiàn)了對從幾個(gè)接收多線 接收的信號進(jìn)行重聚焦，這幾個(gè)接收多線在給定方向上同軸對準(zhǔn)。該重聚 焦對由于每個(gè)多線使用不同的發(fā)射波束位置而造成的相位差進(jìn)行調(diào)節(jié)，防 止在組合信號中出現(xiàn)非預(yù)期相位抵消。加權(quán)器114對多線對于發(fā)射波束與 多線位置的接近性的貢獻(xiàn)進(jìn)行加權(quán)，賦予具有更高信噪比的發(fā)射波束以更 高的權(quán)重。這導(dǎo)致了沿每個(gè)接收線擴(kuò)展的場深度和由于每個(gè)接收線方向上 多個(gè)采樣的組合引起的穿透性增強(qiáng)(信噪比提高)。
如我們的待決的專利申請所述，內(nèi)插多個(gè)接收信號的這一處理將致使 引導(dǎo)到垂直于轉(zhuǎn)換器陣列104的波束的回波信號的發(fā)射重聚焦。在本發(fā)明 的實(shí)現(xiàn)方式中，由延遲線118提供引導(dǎo)方向和在所選方向上的聚焦這兩者。 對于執(zhí)行空間復(fù)合的本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方式，如結(jié)合圖4所述，也必須選擇引 導(dǎo)波束的子孔徑。在圖5的實(shí)現(xiàn)方式中，通過變跡加權(quán)器114來選擇子孔 徑，該變跡加權(quán)器114加強(qiáng)期望的子孔徑的信號而衰減或忽略來自陣列的 其他區(qū)域的信號。因此圖5中的加權(quán)器114選擇引導(dǎo)波束的子孔徑，且延 遲線118給出必要的引導(dǎo)和聚焦延遲。然后通過加法器120組合所延遲的 信號以形成回顧性引導(dǎo)的發(fā)射波束。然后通過檢測器130檢測引導(dǎo)波束的 相干回波信號以形成觀察方向1 (LD2)的波束。
針對其他觀察方向(在本示例中為LD,和LD3)執(zhí)行同樣的子孔徑選 擇處理和引導(dǎo)。當(dāng)針對圖像中的特定點(diǎn)處理和檢測了所有期望觀察方向(在 本示例中為三個(gè)方向)上的信號時(shí)，通過加法器140來組合信號以形成散 斑縮減的信號。通過圖像處理器122來處理圖像數(shù)據(jù)，該圖像處理器122 執(zhí)行諸如對期望的圖像格式進(jìn)行掃描轉(zhuǎn)換的功能，且在顯示器124上顯示 圖像。在特殊實(shí)現(xiàn)方式中，如果需要可以以其他順序執(zhí)行圖5的功能。例 如，可以掃描轉(zhuǎn)換每個(gè)觀察方向上的檢測信號，然后通過加法器140組合所掃描轉(zhuǎn)換的信號數(shù)據(jù)。
為了通過空間復(fù)合提供散斑縮減，可以利用不同的觀察方向來發(fā)射、 來接收或者進(jìn)行這兩者。前述處理通過回顧性引導(dǎo)初始時(shí)垂直于換能器陣 列的平面發(fā)射的波束來實(shí)現(xiàn)不同的發(fā)射觀察方向。可以以幾種方式來實(shí)現(xiàn) 接收觀察方向的發(fā)散性。 一種方式是通過選擇多線處理器所用的適當(dāng)延遲 輪廓和變跡來實(shí)際引導(dǎo)接收的波束。初始的發(fā)射波束是垂直于陣列平面發(fā) 射的，而在接收時(shí)將接收波束引導(dǎo)到不同的方向，這在本領(lǐng)域是公知的。 作為替代，可以回顧性應(yīng)用接收引導(dǎo)。在垂直于陣列發(fā)射這些發(fā)射波束后， 在相同方向上接收多線。對于給定的發(fā)射，可以通過適當(dāng)?shù)匮舆t不同的多 線接收波束并對其進(jìn)行加權(quán)來形成回顧性引導(dǎo)的接收波束。然后可以如上 所述執(zhí)行回顧性發(fā)射內(nèi)插。作為替代，可以在單個(gè)階段執(zhí)行接收和發(fā)射內(nèi) 插，由此延遲、加權(quán)和組合來自若干發(fā)射事件和若干接收位置的接收多線，
以形成給定的來回收發(fā)線。圖6A舉例說明了應(yīng)用于垂直于陣列接收的多線 的示例性延遲輪廓。僅針對前幾個(gè)發(fā)射定義輪廓曲線80，表示其針對虛擬 換能器陣列最左側(cè)的子孔徑。圖6B舉例說明了針對在接收時(shí)已經(jīng)被引導(dǎo)的 多線的延遲輪廓90。延遲曲線90的斜率表示這些延遲的基本線性引導(dǎo)項(xiàng)。 本領(lǐng)域技術(shù)人員容易想到本發(fā)明的各種變型。例如，發(fā)射的波束并不 是必須垂直于陣列表面發(fā)射，而是可以以銳角(例如其他引導(dǎo)角中的一個(gè)) 發(fā)射。不同的子孔徑并不是必須完全相互區(qū)分的。在其他實(shí)現(xiàn)方式中，可 以通過內(nèi)插額外的中間多線來增加少量的接收多線，然后對所增加的少量 的多線執(zhí)行本發(fā)明的處理。可以分別實(shí)現(xiàn)子孔徑選擇和波束引導(dǎo)延遲或者 與多線處理器的變跡和延遲合并在一起。引導(dǎo)波束可以用于其他用途，例 如僅在二維圖像的橫向側(cè)邊引導(dǎo)以形成梯形圖像格式。與標(biāo)準(zhǔn)空間復(fù)合相 比，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方式可以提供很好的運(yùn)動偽影抗擾性，因?yàn)閮H需要單一 的像場掃描來形成不同的引導(dǎo)方向。產(chǎn)生圖像所需數(shù)據(jù)的掃描時(shí)間得以降 低，并因此縮減運(yùn)動偽影。
權(quán)利要求
1、一種超聲診斷成像系統(tǒng)，包括探測器，其包括具有孔徑的換能器元件陣列；發(fā)射波束形成器，其耦連到所述換能器元件陣列，并且可以發(fā)射多個(gè)聚焦波束穿過所述陣列的所述孔徑；多線接收波束形成器，其耦連到所述換能器元件陣列，并且可以產(chǎn)生響應(yīng)于一個(gè)發(fā)射波束的多個(gè)接收線；子孔徑選擇器，其耦連到所述多線接收波束形成器；引導(dǎo)電路，其起到引導(dǎo)所選擇的子孔徑的所述波束的作用；檢測器，其響應(yīng)于所引導(dǎo)波束；組合電路，其響應(yīng)于在多個(gè)觀察方向上引導(dǎo)的波束；以及顯示器，其耦連到產(chǎn)生具有縮減散斑的圖像的所述組合電路。
2、 如權(quán)利要求1所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中，所述子孔徑選擇器 還包括變跡電路。
3、 如權(quán)利要求2所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中，所述變跡電路還包 括加權(quán)電路。
4、 如權(quán)利要求1所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中，所述引導(dǎo)電路包括 多個(gè)延遲線，這些延遲線起到對所接收的回波信號施加引導(dǎo)延遲的作用。
5、 如權(quán)利要求1所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中，所述檢測器還包括 振幅檢測器。
6、 如權(quán)利要求1所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中，所述組合電路還包 括起到將涉及像場中的公共點(diǎn)的信號進(jìn)行組合的作用的組合電路。
7、 一種產(chǎn)生具有縮減的散斑偽影的超聲圖像的方法，包括在像場上沿給定方向發(fā)射聚焦波束；接收響應(yīng)于每個(gè)發(fā)射波束的多個(gè)多線回波信號；處理所述多線回波信號以產(chǎn)生所引導(dǎo)波束信號，這些所引導(dǎo)波束信號展現(xiàn)出在所述像場上沿多個(gè)方向聚焦的發(fā)射波束的作用； 檢測所述所引導(dǎo)波束信號；并且將檢測到的所引導(dǎo)波束信號進(jìn)行組合，這些所引導(dǎo)波束信號對應(yīng)于所 述像場中的公共點(diǎn)。
8、 如權(quán)利要求7所述的方法，還包括顯示所組合的檢測到的所引導(dǎo)波 束信號的圖像。
9、 如權(quán)利要求8所述的方法，還包括處理所述多線回波信號以產(chǎn)生波 束信號，這些波束信號展現(xiàn)出在多個(gè)方向上聚焦的波束對發(fā)射和接收的作 用。
10、 如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述處理步驟還包括為所述所 引導(dǎo)波束定義不同的子孔徑。
11、 如權(quán)利要求10所述的方法，其中，定義不同的孔徑的所述步驟還 包括使接收到的多線回波信號變跡。
12、 如權(quán)利要求ll所述的方法，其中，產(chǎn)生所引導(dǎo)波束信號的所述步 驟還包括將接收到的多線回波信號對準(zhǔn)并進(jìn)行組合。
13、 如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述給定方向還包括垂直于換 能器陣列平面的方向，其中，所述多個(gè)方向中的一個(gè)是所述給定方向。
14、 如權(quán)利要求13所述的方法，其中，接收多個(gè)多線回波信號的所述 步驟還包括接收在所述給定方向上的多個(gè)多線回波信號。
15、 如權(quán)利要求13所述的方法，其中，接收多個(gè)多線回波信號的所述 步驟還包括接收在所述多個(gè)方向上引導(dǎo)的多個(gè)多線回波信號。
16、 一種用相對于換能器陣列平面以銳角引導(dǎo)的波束產(chǎn)生超聲圖像的方法，所述方法包括在像場上沿垂直于所述換能器陣列平面的方向發(fā)射聚焦波束； 接收響應(yīng)于每個(gè)發(fā)射波束的多個(gè)多線回波信號；處理多線回波信號以產(chǎn)生波束信號，這些波束信號展現(xiàn)出相對于所述 換能器陣列平面以銳角引導(dǎo)的發(fā)射波束的作用；并且 通過所引導(dǎo)的發(fā)射波束形成圖像。
17、 如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述形成步驟還包括形成完全 相對于所述換能器陣列平面以銳角引導(dǎo)的波束的圖像。
18、 如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述形成步驟還包括形成相對 于所述換能器陣列平面以銳角引導(dǎo)的波束的圖像和垂直于所述換能器陣列 平面引導(dǎo)的波束的圖像。
全文摘要
一種超聲診斷成像系統(tǒng)發(fā)射與換能器孔徑垂直的多個(gè)聚焦波束并接收響應(yīng)于每個(gè)發(fā)射波束的多個(gè)接收線。通過變跡來定義換能器孔徑的子孔徑，并且將子孔徑的信號對準(zhǔn)并進(jìn)行組合以產(chǎn)生展現(xiàn)出相對于子孔徑以不同角度引導(dǎo)的發(fā)射的作用的信號。檢測所引導(dǎo)的信號并將涉及到像場中公共點(diǎn)的檢測信號進(jìn)行組合。利用所組合的檢測信號來產(chǎn)生具有縮減散斑的超聲圖像。
文檔編號A61B8/00GK101442939SQ200780017122
公開日2009年5月27日 申請日期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 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司