專利名稱:用于超聲波成象的自適應(yīng)時間增益補(bǔ)償系統(tǒng)的制作方法
本發(fā)明涉及超聲波成象技術(shù)，更確切地說，本發(fā)明是關(guān)于超聲波成象系統(tǒng)中的衰減補(bǔ)償和增益控制。
通過超聲脈沖反射波探測生物組織形成二維圖象，必須利用電子接收機(jī)，這種接收機(jī)具有這樣一種裝置即根據(jù)對超聲波在傳播和反射路徑中的衰減變化作出響應(yīng)的反射波來改變其幅度增益，和調(diào)節(jié)傳感器靈敏度的變化及成象組織的擴(kuò)散系數(shù)?？刂瓶勺冊鲆娴某Ｒ?guī)方法，是應(yīng)用人工手控方式輸入增益深度函數(shù)的形狀來補(bǔ)償衰減，并使用人工手動的增益控制系統(tǒng)來調(diào)整圖象的平均灰度。
但是，這種常規(guī)的時間增益補(bǔ)償方法，對二維圖象中的每種波束線矢量采用同樣的增益深度函數(shù)，因而伴隨著被測組織的掃視區(qū)域幾何形狀的變化，可能造成衰減校正上的誤差。當(dāng)波束通過生物組織和流體的交接面時，這個問題尤為嚴(yán)重。例如，探測心臟時心臟中的血液，探測胎兒圖象時母體尿液和羊膜流體，都呈現(xiàn)為可變長度的非衰減路徑區(qū)段。對于上述的各種情形，精確的衰減補(bǔ)償只能對所有波束路徑產(chǎn)生單值的增益深度函數(shù)、并使各個函數(shù)與沿各個路徑的生物組織的幾何形狀適配來完成。
目前已經(jīng)有人提出建議，即由操作人員設(shè)定一個固定的閾值，將引入的反射波信號與之相比較，進(jìn)而生成可變的增益深度函數(shù)。參見梅爾頓(Melton)和斯科頓(Skorton)著的“用于超聲波心臟成象衰減的合理增益補(bǔ)償”(IEEE超聲波論文集，1981年，第607-611頁)。對于反射波信號超過所設(shè)定的閾值的時段，增益以預(yù)定的變化率增加;而對于反射波低于閾值的時候，則增益保持恒定。
本發(fā)明的目的在于一種反饋控制系統(tǒng)，在這一系統(tǒng)中的閾值是通過對先前接收的圖象畫面中反射波直方圖進(jìn)行分析來確定的。在實施這一發(fā)明時，在控制系統(tǒng)增益的過程中，對于軟組織是用圖象總體的均值來識別的，而在設(shè)定增益相對于深度的斷點(diǎn)時是用軟組織中的流體圖象總體間的零值來識別的。
在最佳實施例中，裝有一種閉環(huán)隨動控制裝置，該裝置包含一個用來接收、存儲先前圖象畫面圖象數(shù)據(jù)的直方圖緩沖存儲器;一個直方圖分析器，用以從緩沖存儲器中接收圖象數(shù)據(jù)，識別歸因于流體的圖象象素總體，歸因于軟組織的圖象象素總體、歸因于反射鏡的圖象象素總體和歸因于人造物的圖象象素總體。反饋控制器用來接收象素的均值和閾值，并按照象素均值和一個調(diào)整過的閾值來提供放大器的增益及閾值。閾值加到一個比較器，在比較器中，閾值與當(dāng)前畫面的圖象信息進(jìn)行比較，以便控制增益的變化。
從如下的借助附圖所作的詳細(xì)說明中，可以更容易明了本發(fā)明的原理、目的及其特點(diǎn)。在圖示中圖1A-1C是有關(guān)反射波幅度的曲線以及關(guān)于超聲波經(jīng)過傳音路徑時的對數(shù)增益與深度的曲線。
圖2是表示象素總體和反射波幅度的直方圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的用于超聲波成象系統(tǒng)的增益控制系統(tǒng)功能框圖。
圖4是圖3中直方圖分析器工作的流程圖。
圖5是示意圖3中反饋控制器工作的流程圖。
現(xiàn)在參照附圖，具體說明如下圖1A-1C分別表示超聲波傳音路徑、反射波幅度和用于調(diào)節(jié)反射波放大系數(shù)并補(bǔ)償組織衰減的對數(shù)增益相對于深度的曲線。圖1A中，由傳感器10引導(dǎo)出的超聲波經(jīng)過掃描交界面12，進(jìn)入容器14，并且從這里接收反射波;圖1B表示反射波和一個閾值;而圖1C是反射波放大器對數(shù)增益相對于深度的曲線。在反射波幅度低于閾值的范圍內(nèi)，其增益保持不變，僅僅在反射波幅度超過閾值的范圍內(nèi)，其增益才按照選定的斜率增加。圖1A-1C所說明的自適應(yīng)衰減校正技術(shù)，正如梅爾頓和斯科頓揭示的那樣，是將引入的反射信號同由操作人員設(shè)定的固定不變的閾值相比較來產(chǎn)生可變的增益深度函數(shù)。
圖2表示的是圖1A-1C所示技術(shù)的發(fā)展和延伸，這是本發(fā)明所運(yùn)用的技術(shù)。圖2中的反射信號直方圖是針對圖象信號象素總體相對于信號幅度而建立的。例如，圖中象素總體A出現(xiàn)在低幅度區(qū)并相應(yīng)于來自流體的反射;總體B提供了相應(yīng)于軟組織的高幅度反射;總體C提供了更高量級的反射，相應(yīng)于硬物體反射鏡。按照本發(fā)明的控制系統(tǒng)，通過系統(tǒng)增益的反饋控制，對一個操作人員可選擇的“圖象亮度”提供總體B的均值，并利用總體A和B之間的零值作為比較器的閾值來設(shè)置增益深度函數(shù)的斷點(diǎn)。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的自適應(yīng)時間增益補(bǔ)償系統(tǒng)的功能框圖。時間增益控制(TGC)發(fā)生器20，產(chǎn)生增益深度函數(shù)來控制可變增益放大器22，該放大器將來自傳感器24的響應(yīng)于接收到的超聲波反射的電信號加以放大。TGC發(fā)生器20利用來自反饋控制器26的增益值、人工選定的斜率值和由比較器28產(chǎn)生的“組織識別”點(diǎn)值或斷點(diǎn)值，產(chǎn)生增益深度函數(shù)。閾值和增益值是由直方圖分析器30對先前的圖象畫面的直方圖進(jìn)行分析來產(chǎn)生的。圖象中的現(xiàn)時線條是利用先前圖象中線條的組織織別點(diǎn)來補(bǔ)償?shù)摹?br>特別應(yīng)該說明的是，由圖象形成電路32提供的先前圖象畫面經(jīng)過直方圖緩沖存儲器34傳輸?shù)街狈綀D分析器，而現(xiàn)時的圖象信息傳送給比較器28，在比較器里圖象信息與來自反饋控制器26的閾值作比較，進(jìn)而為TGC發(fā)生器20提供組織識別斷點(diǎn)。TGC發(fā)生器20響應(yīng)人工選定的斜率值、比較器28提供的組織織別點(diǎn)、和來自反饋控制器26的增益信號，如同圖1C說明的那樣，順序產(chǎn)生TGC信號。
圖4是由軟件實現(xiàn)直方圖分析器30功能的一個流程圖。直方圖分析器的功能在于識別出可歸因于流體(如果存在的話)、軟組織的象素總體，并且將其同由于反射鏡和人造物體造成的反射象素總體(即圖2中總體C)區(qū)分開。分析器還能選擇比較器的閾值。而且，如果被探測成象的區(qū)域內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)太多的流體，則分析器將進(jìn)一步檢查這一條件，并且提供軟組織總體的均值及總體低幅邊界的位置，以便反饋控制器能夠產(chǎn)生一個常規(guī)的、角度獨(dú)立的增益深度函數(shù)。直方圖分析器借助測量經(jīng)過低通濾波變換的直方圖來工作的，以便定位出主要的峰值和零點(diǎn)，然后測試未經(jīng)過濾波的直方圖，經(jīng)而評估直方圖各個峰值附近的象素總體的大小。小的總體和運(yùn)離整個直方圖均值的總體被看作為人造物體而舍棄。在圖象中任何包含高百分比象素總數(shù)的總體，則被視為歸因于相同軟組織區(qū)域的象素總體而選取出來。為了使反饋控制器能夠迅速地校正系統(tǒng)增益中大的誤差，整個直方圖的均值也由直方圖分析器來計算。
圖5是由軟件來實現(xiàn)反饋控制器功能的流程圖。選定圖象畫面之后，執(zhí)行這一程序。程序中有三個主要的控制循環(huán)。其一，如果整個直方圖的均值超出范圍，為了補(bǔ)償之目的，則以急劇的變化來調(diào)整增益;其二，如果均值沒有超過范圍并且僅僅單一的總體被測定出來，那么調(diào)整增益使“亮度”與總體均值相適配，一旦增益合適，則把閾值調(diào)整到剛好在總體的低幅末端以下以便使用常規(guī)的增益深度函數(shù);其三，如果均值在范圍內(nèi)但測定出多總體，則把閾值調(diào)整到使之與來自直方圖的計算值相適配的程度，一旦閾值合適就調(diào)整增益使“亮度”與被識別為軟組織的總體均值適配。為了保證整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，全部增益閾值的校正都使用了低通濾波器。
實現(xiàn)直方圖分析器和反饋控制器的程序打印輸出附加在這里備作參考，該程序是在VAX11/750DEC計算機(jī)上使用FORTRAN算法語言編寫的。
至此，已經(jīng)對應(yīng)用于超聲波成象的自適應(yīng)時間增益補(bǔ)償?shù)姆椒ê脱b置作了說明。結(jié)合一個具體實施例的說明，僅僅是例證性的解釋而已，本發(fā)明并不局限于此。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明的由附加的權(quán)利要求
所限定的實質(zhì)和范圍的情況下，可以作出各種改進(jìn)和應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一個超聲波成象系統(tǒng)，包括增益被控放大器及對來自增益被控放大器的信號作出響應(yīng)的圖象形成裝置、一個增益控制系統(tǒng)，其特征在于包括識別軟組織圖象總體均值的裝置，用于控制增益被控放大器的增益，和識別流體和軟組織圖象總體之間零值的裝置，用于設(shè)置增益深度函數(shù)斷點(diǎn)。
2.權(quán)利要求
1所要求的增益控制系統(tǒng)，其特征在于其中所述用于識別軟組織圖象總體均值的裝置，包括與接收圖象數(shù)據(jù)有聯(lián)系的直方圖分析器，所述分析器用來識別歸因于流體的圖象象素總體、歸因于軟組織的圖象象素總體、歸因于反射鏡的圖象象素總體和歸因于人造物體的圖象象素總體，所述分析器用于確定各種象素總體的各個平均峰值和功率的閾值，所述為設(shè)置增益深度斷點(diǎn)的用于識別軟組織中流體圖象總體間零值的裝置，包括與接收所述平均峰值和來自所述直方圖分析器的閾值有聯(lián)系的反饋控制裝置，并且基于所述總體中各平均峰值和閾值提供放大器增益和閾值，以及提供一個經(jīng)調(diào)整后的增益輸出和一個經(jīng)調(diào)整后的閾值輸出。
3.權(quán)利要求
2所要求的增益控制系統(tǒng)特征在于還包括對所述經(jīng)調(diào)整過的增益輸出作出響應(yīng)以便控制增益被控放大器的增益的時間增益控制信號發(fā)生裝置，用于將先前圖象數(shù)據(jù)與所述閾值作比較的比較裝置，以及為控制所述可變放大器的增益，對所述比較器和反饋控制器作出響應(yīng)的裝置。
專利摘要
超聲波成象系統(tǒng)中應(yīng)用的增益控制系統(tǒng)包括一個直方圖分析器，以便識別歸因于流體、軟組織、反射鏡和人造物體的各種象素總體。直方圖分析器建立平均峰值。為設(shè)置增益深度各個斷點(diǎn)，需要識別出各種圖象總體之間的零值。比較器用閾值去比較相應(yīng)于軟組織的圖象信息。TGC發(fā)生器響應(yīng)于預(yù)選的斜率、亮度及組織識別信號，以產(chǎn)生時間增益控制信號。
文檔編號G01S7/523GK86107496SQ86107496
公開日1987年6月10日 申請日期1986年10月27日
發(fā)明者詹姆斯·肯尼思·賴?yán)?申請人:通用電氣公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan