快速二維多普勒速度和方向成像的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的系統(tǒng)和方法總體涉及超聲系統(tǒng)，尤其涉及在復(fù)雜介質(zhì)中速度和流動(dòng)方向 的估計(jì)以及用于流動(dòng)速度矢量估計(jì)的超聲系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于各種醫(yī)療應(yīng)用，超聲系統(tǒng)已經(jīng)變成廣泛使用的診斷工具。與一些其他的診斷 工具或系統(tǒng)相比，許多超聲系統(tǒng)是非侵入性的和非破壞性的。超聲系統(tǒng)總體包括用于接近 對(duì)象或直接置于對(duì)象上和在對(duì)象上方移動(dòng)的聲頭，例如，對(duì)象為患者。超聲系統(tǒng)可提供對(duì)象 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可視化，例如，該內(nèi)部結(jié)構(gòu)為組織、血管和/或器官。通過(guò)電激勵(lì)聲頭內(nèi)的換 能器陣元來(lái)生成行進(jìn)至人體中的超聲信號(hào)，以及通過(guò)接收從組織、血管和/或器官所反射 的回波信號(hào)，超聲系統(tǒng)運(yùn)行。所反射的回波信號(hào)然后被處理以產(chǎn)生對(duì)象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可視 化。
[0003] 超聲系統(tǒng)的應(yīng)用之一是用于測(cè)量血流速度。該信息可以用于心血管研究和其他醫(yī) 學(xué)領(lǐng)域。為了呈現(xiàn)血流的不同方面，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種方法，例如，B-型成像和彩色多普勒成 像。流動(dòng)領(lǐng)域的B型成像通常用來(lái)定位血管，以測(cè)量血管的尺寸和觀察流動(dòng)結(jié)構(gòu)。B型圖像 顯示亮度，該亮度指示從目標(biāo)對(duì)象反射的超聲信號(hào)的強(qiáng)度。除了灰階顯示之外，流動(dòng)速度可 以在彩色多普勒成像中被呈現(xiàn)為B型圖像的疊加，以顯示在血管內(nèi)血細(xì)胞速度的測(cè)量。在 常規(guī)的系統(tǒng)中，彩色多普勒?qǐng)D像對(duì)于該系統(tǒng)的質(zhì)量和效率產(chǎn)生很多限制。
[0004] 首先，彩色多普勒成像的幀頻會(huì)是低的。由于對(duì)于顯示的每個(gè)圖像掃描線僅需要 一個(gè)發(fā)射脈沖，故B型圖像可以在較高的幀頻下完成。對(duì)比而言，每個(gè)多普勒?qǐng)D像掃描線需 要被詢問(wèn)多次以便估計(jì)在沿著該掃描線的各個(gè)點(diǎn)處的多普勒頻移。沿著掃描線的每次詢問(wèn) 獲得回波數(shù)據(jù)的全掃描線，對(duì)于在圖像掃描線上的每個(gè)點(diǎn)，在一段時(shí)間上獲得的樣本組被 稱為一個(gè)集合。由于在彩色多普勒成像中的詢問(wèn)花費(fèi)時(shí)間，人們通常犧牲B型圖像質(zhì)量（例 如，較小的線密度、較小的采樣率和/或多波束形成器），以便獲取有用的幀頻。
[0005] 第二，常規(guī)的系統(tǒng)和方法會(huì)具有差的橫向分辨率。例如，在如圖1A中所示出的常 規(guī)彩色多普勒成像系統(tǒng)100中，常規(guī)的方法通常使用聲頭110上的多個(gè)換能器陣元112,以 朝向焦點(diǎn)發(fā)射超聲脈沖。這樣的常規(guī)方法被使用，以便獲取所需的信噪比且改善在焦點(diǎn)處 的橫向分辨率。當(dāng)焦點(diǎn)具有最高的橫向分辨率時(shí)，其余的波束經(jīng)受差的橫向分辨率。
[0006] 第三，如圖1A中所示出的常規(guī)系統(tǒng)100也經(jīng)受預(yù)繪制的窗口限制。為了獲得流動(dòng) 速度的具體量化，需要提前在感興趣的區(qū)域內(nèi)選取小得多的樣本體積。超聲波檢測(cè)師通常 需要繪制掃描區(qū)域的窗口，僅在該窗口中，彩色多普勒方法被使用諸如重復(fù)發(fā)射脈沖，結(jié)果 僅顯示在該窗口中。該預(yù)繪制的窗口需求意味著，位于預(yù)定義的窗口的外部的運(yùn)動(dòng)反射器 可以不被識(shí)別直到進(jìn)行單獨(dú)的多普勒成像會(huì)話。因此，難以獲得彩色多普勒?qǐng)D像的全掃描 區(qū)域。
[0007] 第四，使用常規(guī)的方法和系統(tǒng)，難以獲得絕對(duì)速度和方向兩者。圖1A中所示出的 系統(tǒng)會(huì)需要方向轉(zhuǎn)向和多次發(fā)射以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)反射器的速度。近年來(lái)，如圖1B至圖1D中所 示出的平面波在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)引起關(guān)注。與在圖1A中所示出的常規(guī)的方法和系統(tǒng)相比，由于 平面波沒(méi)有橫向分辨率，故可以同時(shí)形成大規(guī)模的接收波束。然而，更大規(guī)模而沒(méi)有預(yù)繪制 窗口限制會(huì)增大幀頻，同時(shí)失去橫向分辨率。為了獲得橫向信息，類似于圖1Α中所示出的 常規(guī)方法，在速度檢測(cè)期間，方向轉(zhuǎn)向會(huì)是必要的以執(zhí)行成角度的發(fā)射。
[0008] 成角度的發(fā)射是由于相對(duì)于超聲波進(jìn)入方向的方向的血細(xì)胞速度的多普勒效應(yīng)。 與超聲波進(jìn)入方向垂直的流動(dòng)使用常規(guī)方法是不可檢測(cè)的，該常規(guī)方法包括平面波方法。 使用常規(guī)方法所獲得的速度矢量的振幅分量?jī)H表示流動(dòng)速度矢量的沿著發(fā)射/接收掃描 線軸線的分量。對(duì)于橫向血管，為了獲得速度矢量的振幅分量，平面波方法將必須改變垂直 于成角度的方向的發(fā)射超聲波方向。
[0009] 例如，圖1Β至圖1D示出常規(guī)的平面波方法和系統(tǒng)，其獲得二維（2D)血流速度的 方向和振幅。常規(guī)的系統(tǒng)可包括具有多個(gè)發(fā)射換能器陣元112的聲頭110。在一個(gè)發(fā)射事 件150期間，在血管130內(nèi)的2D速度矢量的振幅分量可以被檢測(cè)，這是由于相對(duì)于超聲波 進(jìn)入方向的方向，在血管130內(nèi)的血細(xì)胞的速度不是0, 即，相對(duì)于超聲波進(jìn)入方向的方向， 在血管130內(nèi)的點(diǎn)C 132具有非零的速度。然而，在垂直于超聲波進(jìn)入方向的另一血管120 中，在發(fā)射事件150中不能檢測(cè)到該速度，即，在圖1B中，相對(duì)于超聲波進(jìn)入方向，在血管 120內(nèi)的點(diǎn)A 122和點(diǎn)B 124具有零速度。
[0010] 為了檢測(cè)在血管130中的2D血流速度，如圖1C中所示出的另一發(fā)射事件180必 須被執(zhí)行，以將垂直于血管130的超聲波發(fā)射方向變化成成角度的方向。在圖1C中，相對(duì) 于進(jìn)入的超聲波的成角度的方向，點(diǎn)B 124具有非零的速度。然而，圖1C中的平面波會(huì)漏 掉點(diǎn)A 122。為了計(jì)算點(diǎn)A 122,可能必須執(zhí)行如圖1D中所示出的另一成角度的平面波發(fā) 射事件190。然而，在第二成角度的平面波發(fā)射190中，不能檢測(cè)到點(diǎn)C 132的速度。
[0011] 如圖1B至圖1D中所示，方向轉(zhuǎn)向和來(lái)自不同角度的多輪信號(hào)發(fā)射的平面波方法 是難處理的且效率低的。在圖1B至圖1D中的來(lái)自三個(gè)不同角度的三輪發(fā)射之后，在點(diǎn)A 122處的速度可僅在圖ID的發(fā)射事件190中被檢測(cè)到一次，在點(diǎn)B 124處的速度可僅在圖 1C的發(fā)射事件180和在圖1D的發(fā)射事件190中被檢測(cè)到兩次，以及在點(diǎn)C 132處的速度 可僅在圖1B的發(fā)射事件150和圖1C的發(fā)射事件180中被檢測(cè)到兩次。因此，在三輪發(fā)射 之后，每個(gè)點(diǎn)A 122、B 124、和C 132具有小于3個(gè)視圖以有助于2D速度矢量的計(jì)算。因 此，由于方向轉(zhuǎn)向的復(fù)雜性質(zhì)，平面波方法在2D速度矢量的振幅和角度的互關(guān)聯(lián)估計(jì)中具 有不確定性。
[0012] 因此，需要一種快速簡(jiǎn)單的全掃描區(qū)域多普勒成像的方法和系統(tǒng)，其能夠采用與B 型成像的相當(dāng)?shù)膸l獲得血流的絕對(duì)速度和方向。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 參考本發(fā)明的實(shí)施方式，在附圖中可示出其實(shí)施例，在附圖中，相同的部件可采用 相同或類似的附圖標(biāo)記。這些附圖旨在說(shuō)明性的，而不是限制性的。盡管在這些實(shí)施方式 的上下文中總體描述了本發(fā)明，然而，應(yīng)該理解，其不旨在將本發(fā)明的精神和范圍限制到這 些【具體實(shí)施方式】。這些附圖絕不應(yīng)該限制本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)發(fā)明做出的不脫離本發(fā) 明的精神和范圍的任何形式和細(xì)節(jié)上的變化。
[0014] 圖1A是現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)超聲系統(tǒng)的不意圖；
[0015] 圖1B是現(xiàn)有技術(shù)的平面波發(fā)射的示意圖；
[0016] 圖1C是現(xiàn)有技術(shù)的從一個(gè)角度的平面波發(fā)射的示意圖；
[0017] 圖1D是現(xiàn)有技術(shù)的從一個(gè)不同角度的平面波發(fā)射的示意圖；
[0018] 圖2是示出根據(jù)實(shí)施方式的快速二維（2D)血流速度系統(tǒng)的示意圖；
[0019] 圖3是示出根據(jù)實(shí)施方式的在快速2D血流速度系統(tǒng)中的點(diǎn)源發(fā)射和接收波束形 成的示意圖；
[0020] 圖4是示出根據(jù)實(shí)施方式的在快速2D血流速度系統(tǒng)中的位置信息計(jì)算的示意 圖；
[0021] 圖5是示出根據(jù)實(shí)施方式的在多個(gè)發(fā)射事件中的波束數(shù)據(jù)生成的示意圖；
[0022] 圖6A是示出根據(jù)實(shí)施方式的快速2D血流速度系統(tǒng)中的波束數(shù)據(jù)分組的示意圖；
[0023] 圖6B是示出根據(jù)實(shí)施方式的快速2D血流速度系統(tǒng)中的2D血流速度計(jì)算的示意 圖；
[0024] 圖7是示出根據(jù)實(shí)施方式的快速2D血流速度系統(tǒng)中所用的2D血流速度檢測(cè)模塊 的不意圖；
[0025] 圖8是示出根據(jù)實(shí)施方式的快速2D超聲成像系統(tǒng)中生成超聲成像的方法流程的 示意圖；
[0026] 圖9是根據(jù)實(shí)施方式的快速2D多普勒血流速度和方向成像的方法的流程圖；
[0027] 圖10是根據(jù)實(shí)施方式的計(jì)算2D速度矢量的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 結(jié)合附圖，下文提供了系統(tǒng)和方法的一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施方式的具體描述。盡 管該系統(tǒng)和方法結(jié)合這些實(shí)施方式被描述，然而，應(yīng)該理解，該系統(tǒng)和方法不限于任一實(shí)施 方式。相反，該系統(tǒng)和方法的范圍通過(guò)權(quán)利要求書來(lái)限制，該系統(tǒng)和方法包括大量的替選、 變型和等同物。出于示例的目的，在以下的說(shuō)明中列舉了大量的具體細(xì)節(jié)，以便提供本發(fā)明 的系統(tǒng)和方法的透徹理解。這些細(xì)節(jié)被提供用于示例的目的，且根據(jù)權(quán)利要求書可以實(shí)施 該系統(tǒng)和方法，而無(wú)需這些具體細(xì)節(jié)中的一些或全部。出于清楚的目的，在與該系統(tǒng)和方法 相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域中已知的技術(shù)材料將不再具體描述，以免不必要地模糊本發(fā)明的系統(tǒng)和方 法。
[0029] 描述了一種用于在復(fù)雜介質(zhì)中執(zhí)行流動(dòng)或運(yùn)動(dòng)的速度和方向的超聲成像的系統(tǒng)， 該復(fù)雜介質(zhì)包括軟的生物組織。各個(gè)實(shí)施方式可以在獨(dú)立的硬件部件中實(shí)施，或者可替選 地，在諸如使用軟件的數(shù)字信號(hào)處理器的程控處理單元中實(shí)施，該軟件被編譯、鏈接然后從 基于磁盤的存儲(chǔ)器加載以用于在運(yùn)行時(shí)間期間執(zhí)行。包括在這些實(shí)施方式中所采用的方法 的各個(gè)程序還可以存在于固件或其他類似的非易失性存儲(chǔ)裝置中。
[0030] 還應(yīng)該理解，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可以以多種方式實(shí)施，這些方式包括過(guò)程、設(shè) 備、裝置或者計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)（例如，含有計(jì)算機(jī)可讀指令或計(jì)算機(jī)程序代碼的永久計(jì)算 機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)）或者計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括具有包括在其中的計(jì)算機(jī) 可讀程序代碼的計(jì)算機(jī)可用介質(zhì)。在該公開(kāi)的上下文中，計(jì)算機(jī)可用介質(zhì)或者計(jì)算機(jī)可讀 介質(zhì)可以是可包含或存儲(chǔ)通過(guò)指令執(zhí)行系統(tǒng)、設(shè)備或裝置使用或與指令執(zhí)行系統(tǒng)、設(shè)備或 裝置結(jié)合使用的程序的任何介質(zhì)。例如，計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)或者計(jì)算機(jī)可用介質(zhì)可以是 但不限于，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM)、只讀存儲(chǔ)器（ROM)、或持久性存儲(chǔ)器，例如，大容量存儲(chǔ) 裝置、硬盤驅(qū)動(dòng)器、⑶R0M、DVDR0M、磁帶、可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（EPROM或閃速存儲(chǔ)器）、 或者用于存儲(chǔ)信息的任何磁性的、電磁的、紅外的、光學(xué)的、或者電學(xué)的部件或系統(tǒng)、設(shè)備或 裝置?？商孢x地或者另外地，計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)或者計(jì)算機(jī)可用介質(zhì)可以是這些裝置的 任一組合或者甚至是其上印刷有程序代碼的紙張或者另一合適的介質(zhì)，這是由于程序代碼 可以例如通過(guò)紙張或其他介質(zhì)的光學(xué)掃描而以電子方式采集，然后被編譯、解譯、或以合適 的方式被處理（如果必要），然后存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中。應(yīng)用程序、軟件程序或計(jì)算機(jī)可 讀指令可以被稱為部件或模塊。應(yīng)用程序可以被硬接線或者硬編碼在硬件中或者采用在通 用計(jì)算機(jī)上執(zhí)行的軟件的形式，或者被硬接線或者硬編碼在硬件中使得當(dāng)軟件被載入計(jì)算 機(jī)中和/或通過(guò)計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)，該計(jì)算機(jī)變成用于實(shí)施該系統(tǒng)和方法的設(shè)備。通過(guò)利用能 夠創(chuàng)建和實(shí)施本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的軟件開(kāi)發(fā)包或工具包，應(yīng)用程序還可以被整體或部分 地下載。在該說(shuō)明書中，這些實(shí)現(xiàn)方式或者該系統(tǒng)和方法可以采用的任一其他形式可以被 稱為技術(shù)?？傊诒景l(fā)明的系統(tǒng)和方法的范圍內(nèi)，可以改變所公開(kāi)的方法的步驟的次序。
[0031] 描述了超聲設(shè)備和方法的各個(gè)實(shí)施方式。應(yīng)該理解，本發(fā)明不限于本文所描述的
【具體實(shí)施方式】，這些實(shí)施方式當(dāng)然可以變化。結(jié)合一個(gè)【具體實(shí)施方式】所描述的一個(gè)方面不 必限制于該實(shí)施方式且可以在任何其他實(shí)施方式中實(shí)施。例如，盡管結(jié)合超聲機(jī)描述了各 個(gè)實(shí)施方式，然而可以理解，本發(fā)明還可以在其他成像設(shè)備和形式中被實(shí)施。還應(yīng)該理解， 本文所用的術(shù)語(yǔ)是僅出于描述【具體實(shí)施方式】的目的，且不旨在限制，這是由于本發(fā)明的范 圍將通過(guò)所附的權(quán)利要求書以及該權(quán)利要求書所賦予的等同物的全部范圍來(lái)限定。此外， 參考附圖描述各個(gè)實(shí)施方式。應(yīng)該注意，附圖旨在方便描述特定的實(shí)施方式，但是它們不旨 在作為窮舉性描述或者限制本發(fā)明的范圍。
[0032] 各個(gè)相對(duì)術(shù)語(yǔ)，例如，"上部"、"上方"、"頂部"、"上面"、"上"、"下面"、"下方"、"底 部"、"更高"、"更低"或類似的術(shù)語(yǔ)可以在本文中出于方便的目的結(jié)合附圖描述相對(duì)位置、 方向或者空間關(guān)系。相對(duì)術(shù)語(yǔ)的使用不應(yīng)該解釋為暗示在制造或使用中其結(jié)構(gòu)或部分的必 須的定位、取向或者方向以及限制本發(fā)明的范圍。除非上下文另有明確規(guī)定，否則如說(shuō)明書 和所附的權(quán)利要求書中所用的單數(shù)形式"一"、"一個(gè)"和"該"包括多個(gè)。
[0033] 下文將參考附圖描述各個(gè)實(shí)施方式。應(yīng)該注意，附圖不是按比例繪制且類似結(jié)構(gòu) 或功能的陣元在所有的附圖中采用同樣的附圖標(biāo)記來(lái)表示。還應(yīng)該注意，附圖僅旨在方便 描述實(shí)施方式。它們不旨在作為本發(fā)明的窮舉性描述或者作為本發(fā)明的范圍的限制。此外， 所示出的實(shí)施方式不需要具有所示出的所有方面或優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合【具體實(shí)施方式】所描述的方面 或優(yōu)點(diǎn)不必限制到該實(shí)施方式且可以在任何其他實(shí)施方式中被實(shí)施，即使沒(méi)有如此說(shuō)明。
[0034] 盡管參考各個(gè)解剖結(jié)構(gòu)的超聲成像在本文描述了各個(gè)實(shí)施方式，然而，將理解，本 文所示出和描述的多個(gè)方法和裝置也可以用在其他應(yīng)用中，例如成像和評(píng)估非解剖的結(jié)構(gòu) 和對(duì)象。例如，本文描述的超聲聲頭、系統(tǒng)和方法可以被用在非破壞性測(cè)試或各個(gè)機(jī)械對(duì) 象、結(jié)構(gòu)對(duì)象或材