本發(fā)明涉及到聲成像的方法和設(shè)備。

背景技術(shù)：

文件ep2101191以及montaldo等人編寫(xiě)的題為《極高幀頻超聲以及瞬時(shí)彈性成像的混合相干平面波(coherentplane-wavecompoundingforveryhighframerateultrasonographyandtransientelastography)》的文章(《ieeetransultrasonferroelectrfreqcontrol》2009年3月；56(3)：489-506)描述了一種聲成像方法，其中，聲換能器陣列連續(xù)地在待成像的介質(zhì)中發(fā)射平面的或發(fā)散的一系列n個(gè)入射聲波ei(t)，n個(gè)入射波在待成像的介質(zhì)中傳播，并且分別生成n個(gè)反射波，換能器陣列檢測(cè)表示反射波的信號(hào)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

該方法使之能夠在圖像采集速度和圖像清晰度方面有明顯進(jìn)步。

但是，這類(lèi)方法的缺點(diǎn)是由于待成像的介質(zhì)中，尤其是生物組織中超聲波的衰減，使得所得到的圖像的分辨率隨著深度大大降低。

這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)解決方案是增加發(fā)射超聲波的振幅。但是，該量級(jí)增加不能超出超聲換能器和/或控制換能器的電子設(shè)備指示的一定閾值和/或關(guān)于醫(yī)療應(yīng)用的有效安全標(biāo)準(zhǔn)。

還提出了傳輸信號(hào)的基于時(shí)間或空間編碼的其它解決方案，但是這些解決方案需要使用復(fù)雜且成本高昂的傳輸電子設(shè)備，實(shí)際上在傳統(tǒng)超聲成像設(shè)備中無(wú)法使用所述傳輸電子設(shè)備。

本發(fā)明的目的是克服這些缺點(diǎn)，提供一種能夠改善解決方案的聲成像方法，而不損失成像速度，不明顯增加實(shí)施所述聲成像方法的聲成像設(shè)備的復(fù)雜性或成本。

為此目的，本發(fā)明提出一種超聲成像方法，包括以下步驟：

(a)發(fā)射/接收步驟，在該步驟過(guò)程中，聲換能器陣列在觀測(cè)區(qū)中連續(xù)發(fā)射一系列n個(gè)入射聲波ei(t)，所述觀測(cè)區(qū)是待成像的介質(zhì)的一部分，發(fā)射n個(gè)入射波之后，聲換能器陣列檢測(cè)分別由待成像的介質(zhì)反射的n個(gè)反射波ri(t)，在此，n是至少等于2的自然數(shù)，所述入射聲波是按照對(duì)應(yīng)于下列公式的方式通過(guò)線(xiàn)性組合n個(gè)基本入射波e0i(t)得到的：

其中：

hc是n階方陣(稱(chēng)為編碼矩陣)，

是矢量，n個(gè)入射波作為其分量，

是矢量，n個(gè)基本入射波作為其分量，所述基本入射波是平面波或發(fā)散波或者集中在分別具有n個(gè)不同波前的空間中的不同點(diǎn)的波，

每個(gè)基本入射波都是由聲換能器陣列的多個(gè)聲換能器發(fā)射的，并且掃過(guò)整個(gè)觀測(cè)區(qū)，

(b)解碼步驟，在該步驟過(guò)程中，通過(guò)線(xiàn)性組合所檢測(cè)的n個(gè)反射波ri(t)，按照以下公式確定n個(gè)基本反射波r0i(t)：

在此：

λ是非零常數(shù)，

hd是n階方陣(稱(chēng)為解碼矩陣)，矩陣hc和hd使得hc.hd＝d，在此，d是n階對(duì)角矩陣，其中所有對(duì)角元素dii非零，

是矢量，n個(gè)反射波作為其分量，

是矢量，n個(gè)基本反射波作為其分量，

(c)圖像構(gòu)建步驟，在該步驟過(guò)程中從n個(gè)基本反射波r0i(t)生成合成圖像。

因此,本發(fā)明能顯著提高所得到的超聲圖像的分辨率，而無(wú)需增加入射波的脈沖次數(shù)(因此不會(huì)降低幀頻)，無(wú)需增加超聲設(shè)備的復(fù)雜度，而且無(wú)需增加入射聲波的振幅。

實(shí)際上，n個(gè)基本反射波r0i(t)分別代表通過(guò)單獨(dú)發(fā)射n個(gè)基本入射波e0i(t)以及捕捉相應(yīng)的反射波而得到的信號(hào)，但是，所述n個(gè)基本反射波r0i(t)的振幅大于通過(guò)單獨(dú)發(fā)射n個(gè)基本入射波e0i(t)可能檢測(cè)到的信號(hào)的振幅，這樣改善了解決方案。

振幅以及分辨率的增益是因?yàn)槊總€(gè)基本反射波r0i(t)都與來(lái)自入射波的n次脈沖相結(jié)合，因此有更豐富的信息。

在通過(guò)平面波或分散波或多焦點(diǎn)波的n次脈沖合成超聲圖像的情況下，本發(fā)明可用于所有方法，特別是如文件ep2101191所述，例如，用于剪切波成像、血管網(wǎng)成像(高靈敏度多普勒成像或其它，尤其是大腦功能成像)等等。

在根據(jù)本發(fā)明的方法的各個(gè)實(shí)施例中，可利用以下設(shè)置中的一項(xiàng)或多項(xiàng)設(shè)置：

-矩陣hc和hd使得hc.hd＝d，在此，d是n階對(duì)角矩陣，其中所有對(duì)角元素dii都大于1；

-n是非零自然偶數(shù)；

-矩陣hc是n階阿達(dá)瑪(hadamard)矩陣，矩陣hd是矩陣hc的轉(zhuǎn)置；

-每個(gè)所述聲波都是由多個(gè)時(shí)間信號(hào)表示的，每個(gè)時(shí)間信號(hào)表示作為所述換能器陣列中一個(gè)換能器處的所述聲波；

-在解碼步驟之后，該方法進(jìn)一步包括圖像構(gòu)建步驟，在該步驟中通過(guò)n個(gè)基本反射波r0i(t)生成合成圖像。

本發(fā)明還涉及到一種執(zhí)行上述方法的設(shè)備，包括：

(a)發(fā)射裝置，適合通過(guò)聲換能器陣列在待成像的介質(zhì)內(nèi)的觀測(cè)區(qū)中連續(xù)發(fā)射一系列n個(gè)入射聲波ei(t)，所述入射聲波是按照與下列公式相對(duì)應(yīng)的方式通過(guò)線(xiàn)性組合n個(gè)基本入射波e0i(t)而得到的：

在此：

hc是n階方陣，

是矢量，n個(gè)入射波作為其分量，

是矢量，n個(gè)基本入射波作為其分量，所述基本入射波是平面波或發(fā)散波或者集中在分別具有n個(gè)不同波前的空間中的不同點(diǎn)的波，

每個(gè)基本入射波都是由聲換能器陣列的多個(gè)聲換能器發(fā)射的，并且掃過(guò)整個(gè)觀測(cè)區(qū)，

(b)接收裝置，適合通過(guò)n個(gè)反射波ri(t)的聲換能器陣列進(jìn)行連續(xù)檢波，所述n個(gè)反射波ri(t)是在發(fā)射n個(gè)入射波之后分別由待成像的介質(zhì)反射的，

(c)編碼裝置，適合按照與下列公式相對(duì)應(yīng)的方式通過(guò)所檢測(cè)的n反射波ri(t)的線(xiàn)性組合確定n個(gè)基本反射波r0i(t)：

在此：

hd是n階方陣，矩陣hc和hd使得hc.hd＝d，在此，d是n階對(duì)角矩陣，其中所有對(duì)角元素dii非零，

是矢量，n個(gè)反射波作為其分量，

是矢量，n個(gè)基本反射波作為其分量，

(d)圖像構(gòu)建裝置，適合通過(guò)n個(gè)基本反射波r0i(t)創(chuàng)建合成圖像。

附圖說(shuō)明

通過(guò)作為非限制性實(shí)例列出的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的以下說(shuō)明，參考附圖，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)。

在附圖中：

-圖1是執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的方法的設(shè)備的示意圖，

-圖2是圖1中的一部分設(shè)備的方框圖，

-圖3是一系列時(shí)序圖，顯示了不同入射聲波的分量基本入射波，連續(xù)發(fā)射所述入射聲波，以便生成合成圖像，

-圖4a至圖4d是超快多普勒?qǐng)D像，顯示了大腦脈管系統(tǒng)，圖4a和圖4c是通過(guò)本發(fā)明以外的合成成像在兩個(gè)不同平面中得到的，圖4b和圖4d是通過(guò)本發(fā)明的合成成像在相同平面中分別得到的，以及

-圖5a和圖5b是超聲彈性圖像，顯示了剪切波在人體組織中的傳播，分別是通過(guò)本發(fā)明的合成成像以及本發(fā)明以外的合成成像得到的。

具體實(shí)施方式

在各圖中，相同的參考號(hào)指代相同或相似的元件。

圖1和圖2顯示了設(shè)備的一個(gè)實(shí)例，所述設(shè)備通過(guò)發(fā)射和接收超聲壓縮波對(duì)待成像的介質(zhì)1進(jìn)行合成超聲成像，例如，所述待成像的介質(zhì)1的待研究的人或動(dòng)物的組織，例如，所述發(fā)射和接收的頻率介于2至40mhz之間，尤其是介于2至10mhz之間。生成的超聲圖像與一部分介質(zhì)1相對(duì)應(yīng)，在這里將其稱(chēng)為觀測(cè)區(qū)。

可以通過(guò)p個(gè)超聲換能器2a(t1-tn)的陣列2發(fā)生超聲波的發(fā)射和接收，例如，所述陣列2包括數(shù)百個(gè)換能器2a(例如，至少100)。例如，陣列2可能是適合創(chuàng)建二維(2d)圖像的換能器的線(xiàn)性陣列(1d陣列)，或者可能是適合創(chuàng)建三維(3d)圖像的二維陣列。

成像裝置還包括，例如：

-電子電路3，其控制換能器陣列2，并且適合使換能器陣列發(fā)射超聲波以及檢測(cè)換能器陣列接收的信號(hào)；

-計(jì)算機(jī)4或相似設(shè)備，用于控制電子電路3并查看從所述檢測(cè)信號(hào)獲得的超聲圖像。

如圖2所示，電子電路3可包括，例如，：

-p個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器11(a/dj)，分別連接到換能器陣列2的p個(gè)換能器τ1-τp，

-p個(gè)緩沖器12(bj)，分別連接到p個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器11，

-處理器13(cpu)，與緩沖器12和計(jì)算機(jī)4進(jìn)行通訊，并且適合處理發(fā)送到換能器陣列2以及從所述換能器陣列接收的信號(hào)，

-連接到處理器13的存儲(chǔ)器14(mem)。

圖1和圖2中所示的成像裝置適合進(jìn)行介質(zhì)1的合成超聲成像，尤其是如文件ep2101191所述。

按照這種成像方法可以識(shí)別數(shù)個(gè)主要步驟：

(a)發(fā)射/接收步驟

(b)解碼步驟

(c)圖像構(gòu)建步驟。

現(xiàn)在對(duì)這些步驟進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。發(fā)射步驟和解碼步驟利用編碼矩陣hc和解碼矩陣hd，如前文所述。

這些編碼矩陣hc和解碼矩陣hd是n階方陣，其中，n是至少等于2的自然數(shù)，最好是偶數(shù)，例如，n介于2至100之間，有利的是介于4至20之間。

編碼矩陣hc和解碼矩陣hd使得hc.hd＝d，在此，d是n階對(duì)角矩陣，其中所有對(duì)角元素dii非零。

優(yōu)選的是，d可以是n階對(duì)角矩陣，其中所有對(duì)角元素都是正數(shù)，最好大于1。

更優(yōu)選的是，矩陣hc可與n階阿達(dá)瑪矩陣hn成比例，矩陣hd是矩陣hc的轉(zhuǎn)置。

換言之：

hc＝λ.hn(0)而且

hd＝^thc(0’)，

在此，λ是非零常數(shù)。

下面列出了阿達(dá)瑪矩陣hn的實(shí)例，對(duì)于n＝2以及n＝4。

對(duì)于n＝2：

對(duì)于n＝2：

在編碼矩陣是阿達(dá)瑪矩陣(hc＝hn)的情況下，上述對(duì)角矩陣d等于n乘以單位矩陣(換言之，d的所有對(duì)角元素dii等于n)。

(a)發(fā)射/接收步驟

(al)發(fā)射：

在發(fā)射/接收步驟過(guò)程中，處理器13使換能器陣列2把一系列n個(gè)入射聲波ei(t)，尤其是前文所述的超聲波連續(xù)發(fā)射到介質(zhì)1。入射聲波的脈沖通常小于一微秒，通常約為在中心頻率的超聲波的1至10個(gè)周期。入射波的脈沖可彼此隔開(kāi)，例如，相隔大約50至200微秒。

每個(gè)入射聲波都是通過(guò)線(xiàn)性組合n個(gè)基本入射波e0i(t)得到的，所述n個(gè)基本入射波e0i(t)是平面波或發(fā)散波或者集中在分別具有n個(gè)不同波前的空間中的不同點(diǎn)的波。

如ep2101191所述，這些基本波使得每個(gè)波都是由多個(gè)換能器(最好至少10個(gè)換能器，通常為陣列2的p個(gè)換能器)發(fā)射的，從而掃過(guò)介質(zhì)1中待成像的整個(gè)區(qū)域。

該線(xiàn)性組合是按照與下列公式相對(duì)應(yīng)的方式發(fā)生的：

在此：

是矢量，n個(gè)入射波作為其分量，

是矢量，n個(gè)基本入射波作為其分量。

可以提前計(jì)算入射聲波，例如，并將其存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器14中。

每個(gè)基本入射波都是由聲換能器陣列2中的多個(gè)聲換能器發(fā)射的，并掃過(guò)整個(gè)觀測(cè)區(qū)。

有利的是，每個(gè)n入射聲波ei(t)都可以用多個(gè)時(shí)間信號(hào)eij(t)表示，所述時(shí)間信號(hào)eij(t)將所述入射聲波表示為分別由所述換能器陣列2的各個(gè)換能器tj發(fā)射的。因此，ei(t)可以用矢量ei(t)＝[eij(t)]表示。

同樣，n個(gè)基本入射波e0i(t)中每個(gè)都可以有多個(gè)時(shí)間信號(hào)e0ij(t)表示，所述時(shí)間信號(hào)e0ij(t)表示分別位于所述換能器陣列2的不同換能器tj的所述基本入射波。因此，e0i(t)可以用矢量e0i(t)＝[e0ij(t)]表示。

需注意的是，對(duì)于相同發(fā)射波ei(t)而言，因此在常量i，信號(hào)eij(t)在振幅和時(shí)空形態(tài)方面完全不相同，在此進(jìn)行的編碼是時(shí)空編碼。

由換能器j發(fā)射的每個(gè)信號(hào)eij(t)是基本信號(hào)eij0(t)的線(xiàn)性組合，該線(xiàn)性組合可以從上面的公式(1)中推導(dǎo)出來(lái)。因?yàn)榫仃噃c具有非零系數(shù)，所以上述線(xiàn)性組合也具有非零系數(shù)；換言之，由每個(gè)換能器j發(fā)射的信號(hào)eij(t)是所有基本信號(hào)eij0(t)的具有非零系數(shù)(例如，在阿達(dá)瑪矩陣的情況下，為+1或-1)的線(xiàn)性組合，所述基本信號(hào)eij0(t)與不同的基本波i相對(duì)應(yīng)(合計(jì)n個(gè)基本波)。

來(lái)自一個(gè)換能器j與另一個(gè)換能器的信號(hào)eij0(t)在其時(shí)空形態(tài)上也不同，對(duì)于得到理想的基本波形而言，這是必須的。

此外，各個(gè)分量eij0(t)是非零信號(hào)，所以線(xiàn)性組合有效，而且每個(gè)信號(hào)eij(t)都與信號(hào)eij0(t)不同。

圖3闡釋了n＝4的一種特殊情況，其中，入射聲波ei(t)是四個(gè)基本入射波的線(xiàn)性組合，所述基本入射波是具有不同傾角的平面波e0i(t)，沿著平行于換能器陣列的x軸根據(jù)時(shí)間t顯示波前。在這個(gè)實(shí)例中，采用的編碼矩陣是上文提及的阿達(dá)瑪矩陣h4。

用虛線(xiàn)表示線(xiàn)性系數(shù)指定為-1的平面波(-e0i(t))，用實(shí)線(xiàn)表線(xiàn)性系數(shù)示指定為+1的平面波(+e0i(t))。如圖3中關(guān)于波e1(t)和e2(t)的頂部詳細(xì)視圖所示，基本入射波e0i(t)的波形可以是阻尼正弦曲線(xiàn)，例如持續(xù)大約3個(gè)周期，指定的線(xiàn)性系數(shù)為-1的平面波(-e0i(t))簡(jiǎn)單地具有與e0i(t)相反的波形。

(a2)接收：

每個(gè)入射聲波ei(t)都穿過(guò)介質(zhì)1傳播，所述介質(zhì)1返回相應(yīng)的反射波ri(t)。發(fā)射下一個(gè)入射聲波之前，換能器陣列2檢測(cè)反射波ri(t)，然后將所述反射波ri(t)發(fā)射到處理器13并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器14中。

反射波ri(t)存儲(chǔ)為多個(gè)時(shí)間信號(hào)rii(t)，所述時(shí)間信號(hào)rii(t)把所述反射波表示為分別由換能器陣列2的各個(gè)換能器tj檢測(cè)。因此，ri(t)可以用矢量ri(t)＝[rij(t)]表示。

(b)解碼步驟

發(fā)射n個(gè)入射聲波ei(t)以及接收n個(gè)反射波ri(t)之后，處理器13執(zhí)行解碼步驟，在解碼步驟中，按照以下公式通過(guò)線(xiàn)性組合所檢測(cè)的n個(gè)反射波ri(t)來(lái)確定n個(gè)基本反射波r0i(t)：

其中：

是矢量，n個(gè)反射波作為其分量，

是矢量，n個(gè)基本反射波作為其分量。

按照多個(gè)時(shí)間信號(hào)r0ij(t)的形式確定基本反射波r0i(t)，所述時(shí)間信號(hào)r0ij(t)代表?yè)Q能器陣列2的不同換能器t的所述基本反射波。因此，r0i(t)可以表示為矢量r0i(t)＝[r0ij(t)]，或者更普遍而言，將其表示為在k時(shí)刻tk進(jìn)行時(shí)間采樣之后的矩陣r0i(t)＝[r0ijk(tk)]。

(c)圖像構(gòu)建步驟

解碼步驟(b)之后，處理器13執(zhí)行圖像構(gòu)建步驟，在該步驟中，通過(guò)n個(gè)基本反射波r0i(t)生成合成圖像，例如，如文件ep2101191或者montaldo等人撰寫(xiě)的題為《極高幀頻超聲以及瞬時(shí)彈性成像的相干平面波》的文章(《ieeetransultrasonferroelectrfreqcontrol》2009年3月；56(3)：489-506)所述。

如前文所述，通常以矩陣形式r0i(t)＝[r0ijk(tk)]呈現(xiàn)的基本反射波r0i(t)構(gòu)成前述文件中所述方法的最初原始數(shù)據(jù)(或“rf原始數(shù)據(jù)”)的矩陣。具體而言，通過(guò)n個(gè)rf原始數(shù)據(jù)的矩陣r0i(t)，處理器13分別在待成像的介質(zhì)1的m點(diǎn)pm(x，z)(稱(chēng)為虛擬焦點(diǎn))計(jì)算相干合成rf數(shù)據(jù)矩陣，m是1至m之間的一個(gè)整數(shù)，x是點(diǎn)pm在在線(xiàn)性換能器陣列2的情況下的x軸上的橫坐標(biāo)(在二維陣列2的情況下，用x，y取代x)，所述x軸平行于換能器陣列2，z是沿著垂直于x軸的z軸的介質(zhì)1的深度。每個(gè)相干合成rf數(shù)據(jù)的m矩陣包括p個(gè)時(shí)間信號(hào)rfcoherentm，j(t)，如果換能器發(fā)射集中在點(diǎn)pm的入射波，所述時(shí)間信號(hào)與可能分別被換能器tj檢測(cè)的信號(hào)相對(duì)應(yīng)。

例如，根據(jù)文件ep2101191或者montaldo等人撰寫(xiě)的題為《極高幀頻超聲以及瞬時(shí)彈性成像的相干平面波》的文章(《ieeetransultrasonferroelectrfreqcontrol》2009年3月；56(3)：489-506)中的所述原理，可以通過(guò)假設(shè)超聲壓縮波在介質(zhì)1中均勻傳播速度為c，得到相干rf數(shù)據(jù)的矩陣。

因?yàn)榕c每個(gè)基本入射波e0i(t)相對(duì)應(yīng)的平面波的傳播方向已知，而且傳播速度c已知，所以處理器13可以針對(duì)每個(gè)點(diǎn)pm計(jì)算基本入射波i到點(diǎn)pm的傳播時(shí)間τec(i，m)以及基本反射波從點(diǎn)pm到換能器tj的傳播時(shí)間τrec(i，m，j)，因此得到往返行程的總時(shí)間τ(i，m，j)＝τec(i，pm)+τrec(i，pm，j)。

然后利用以下公式結(jié)算與虛擬焦點(diǎn)pm相對(duì)應(yīng)的換能器tj的空間相干信號(hào)：

其中，b(i)是加權(quán)每個(gè)基本入射波i的貢獻(xiàn)的函數(shù)(系數(shù)b(i)可全部等于1)。

然后可以通過(guò)糾正介質(zhì)1中的像差效果來(lái)優(yōu)化相干數(shù)據(jù)矩陣rfcoherentmj，例如，前文提及的文件ep2101191或montaldo等人所述。

處理器13然后可進(jìn)行常規(guī)的接收波束成形，以便得到前文提及的文件ep2101191或montaldo等人中所述的超聲圖像，而且/或者運(yùn)用更詳盡的處理(例如，計(jì)算多普勒或彩色多普勒?qǐng)D像)，這本身是已知的。

在換能器陣列2是二維的陣列的情況下，或者在基本入射波與基本反射波是分散的情況下，圖像構(gòu)建方法相似。

在所有情況下，與通過(guò)發(fā)射平面波進(jìn)行常規(guī)合成成像所獲得的圖像(如上文中的文件ep2101191或montaldo等人所述)相比，生成的圖像顯示了明顯增加的分辨率。

因此，圖4a和圖4c的超快多普勒?qǐng)D像顯示了鼠腦的血管化，是通過(guò)(不用本發(fā)明的)發(fā)射平面波而進(jìn)行合成成像在兩個(gè)不同平面中進(jìn)行的，而圖4b和圖4d則是分別利用本發(fā)明的合成成像在相同平面中進(jìn)行的：圖4b和4d的圖像的分辨率明顯增加，這是肉眼可見(jiàn)的。

同樣，圖5a和圖5b是超聲彈性圖像，顯示了剪切波在人體組織中的傳播，是分別通過(guò)本發(fā)明的合成成像以及不用本發(fā)明的合成成像獲得的：圖5b的圖像的高分辨率是肉眼可見(jiàn)的。