書的范圍。
[0093] 本公開提供了用于通過使用一個(gè)或多個(gè)表觀點(diǎn)源超聲傳送器提高2D、3D和4D超聲 圖像質(zhì)量的系統(tǒng)和方法。在一些實(shí)施例中，運(yùn)樣的表觀點(diǎn)源傳送器可W與多孔徑超聲成像 系統(tǒng)、多孔徑超聲探頭和/或多孔徑超聲波束成形技術(shù)結(jié)合或一體使用。本文中提供了運(yùn)樣 的系統(tǒng)、方法和組合的各種實(shí)施例。
[0094]盡管本文中參照各種解剖結(jié)構(gòu)的超聲成像描述了各種實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，本 文中所示出并且描述的方法和設(shè)備中的許多方法和設(shè)備可W在其它應(yīng)用(諸如成像并且評(píng) 價(jià)非解剖結(jié)構(gòu)和對(duì)象）中使用。例如，本文中的各種實(shí)施例可W應(yīng)用于無損測(cè)試應(yīng)用，諸如 評(píng)價(jià)各種結(jié)構(gòu)(諸如焊縫、壓力容器、管道、結(jié)構(gòu)構(gòu)件、梁等）的質(zhì)量、完整性、尺寸或其它特 點(diǎn)。系統(tǒng)和方法還可W用于成像和/或測(cè)試包括人類或動(dòng)物組織、固體金屬(諸如鐵、鋼、侶 或鐵）、各種合金或復(fù)合材料等在內(nèi)的一定范圍內(nèi)的材料。
[00M] 關(guān)鍵術(shù)語的介紹
[0096] W下段落提供本文中頻繁地所使用的一些術(shù)語的有用定義。當(dāng)使用其它術(shù)語時(shí)， 它們還可W被定義如下。
[0097] 如本文中所使用的術(shù)語"超聲換能器"和"換能器"可W攜帶如由超聲成像技術(shù)領(lǐng) 域的技術(shù)人員所理解的它們的普通含義，并且在沒有限制的情況下，可W是指能夠?qū)㈦娦?信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲信號(hào)和/或反之亦然的任何單個(gè)組件。例如，在一些實(shí)施例中，超聲換能器 可W包括壓電設(shè)備。在其它實(shí)施例中，超聲換能器可W包括電容性微加工超聲換能器 (CMUT)或者能夠?qū)⒊暡ㄞD(zhuǎn)換成電性信號(hào)并且從電性信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波的任何其它換能 設(shè)備。
[0098] 換能器通常被配置成多個(gè)單獨(dú)的換能器元件陣列。如本文中所使用的，術(shù)語"換能 器陣列"或"陣列"通常是指安裝到公共支撐板的換能器元件的集合。當(dāng)在本文中其它地方 使用那些術(shù)語時(shí)和/或當(dāng)它們?cè)诒绢I(lǐng)域中被普遍理解時(shí)，運(yùn)樣的陣列可W具有一維（1D)、二 維(2D)、1.X維（1.XD)或S維(3D)。還可W使用如由本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的其它尺寸的陣 列。還可W使用環(huán)形陣列（諸如同屯、圓形陣列和楠圓陣列）。換能器陣列的元件可W是陣列 的最小離散功能組件。例如，在壓電換能器元件陣列的情況下，每個(gè)元件可W是單個(gè)壓電晶 體或壓電晶體的單個(gè)加工部分。
[0099] 如本文中所使用的，術(shù)語"傳送元件"和"接收元件"可W攜帶如由超聲成像技術(shù)領(lǐng) 域的技術(shù)人員所理解的它們的普通含義。術(shù)語"傳送元件"可W是指(但不限于)至少暫時(shí)執(zhí) 行其中電性信號(hào)被轉(zhuǎn)換成超聲信號(hào)的傳送功能的超聲波換能器元件。所傳送的超聲信號(hào)可 W聚焦在特定方向上，或者可W未被聚焦從而在所有方向或大范圍的方向上傳送。類似地， 術(shù)語"接收元件"可W是指(但不限于)其中至少暫時(shí)執(zhí)行其中入射到元件上的超聲信號(hào)被 轉(zhuǎn)換成電性信號(hào)的接收功能的超聲換能器元件。超聲傳送到介質(zhì)中還可W在本文中被稱為 "聲穿透"。反映超聲波的對(duì)象或結(jié)構(gòu)可W被稱為"反射器"或"散射器"。
[0100] 如本文所使用的，術(shù)語"孔徑"可W是指通過其超聲信號(hào)可W被傳送和/或接收的 概念上的"開口 "。在實(shí)際實(shí)踐中，孔徑是簡單的單個(gè)換能器元件或由成像控制電子裝置作 為公共組進(jìn)行集中管理的一組換能器元件。例如，在一些實(shí)施例中，孔徑可W是可W與相鄰 的孔徑的元件在物理上分開并且不同的元件的分組。然而，相鄰孔徑不必是物理上分開的 或不同的。相反，單個(gè)孔徑可W包括兩個(gè)或多個(gè)物理上分開的或不同的換能器陣列的元件。 例如，不同組的換能器元件(例如，"左孔徑"）可W由左陣列構(gòu)造，加上物理上不同的中屯、陣 列的左半部；同時(shí)"右孔徑"可W由右陣列構(gòu)成，加上物理上不同的中屯、陣列的右半部。
[0101 ]應(yīng)當(dāng)注意，術(shù)語"接收孔徑"、"聲穿透孔徑"和/或"傳送孔徑"在本文中用來意味著 單獨(dú)的元件、陣列內(nèi)的一組元件、或者甚至執(zhí)行從所期望的物理視點(diǎn)或孔徑的所期望的傳 送或接收功能的整個(gè)陣列。在一些實(shí)施例中，運(yùn)樣的傳送和接收孔徑可W被制作為具有專 用功能性的物理上分開的組件。在其它實(shí)施例中，可W根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)地W電子方式限定任 何數(shù)目的發(fā)送和/或接收孔徑。在其它實(shí)施例中，多孔徑超聲成像系統(tǒng)可W使用專用功能孔 徑和動(dòng)態(tài)功能孔徑的組合。
[0102] 如本文中所使用的，術(shù)語"總孔徑"是指探頭中所有成像孔徑的整體大小。換言之， 術(shù)語"總孔徑"可W是指由用于特定成像周期的發(fā)送和/或接收元件的任何組合的最遠(yuǎn)換能 器元件之間的最大距離限定的一個(gè)或多個(gè)維度。因此，總孔徑可W由被指定為用于特定周 期的發(fā)送或接收孔徑的任何數(shù)目的子孔徑組成。在單孔徑成像布置的情況下，總孔徑、子孔 徑、傳送孔徑和接收孔徑全部可W具有相同的尺寸。在多孔徑成像布置的情況下，總孔徑的 尺寸包括所有發(fā)送和接收孔徑的尺寸加上孔徑之間的任何空間的尺寸的總和。
[0103] 在一些實(shí)施例中，兩個(gè)孔徑可W彼此相鄰位于連續(xù)陣列上。在還有一些實(shí)施例中， 兩個(gè)孔徑可W彼此重疊在連續(xù)陣列上，使得至少一個(gè)元件用作兩個(gè)分開的孔徑的一部分。 元件的位置、功能和數(shù)目W及孔徑的物理大小可W動(dòng)態(tài)地W特定應(yīng)用所需的任何方式進(jìn)行 限定。對(duì)用于特定應(yīng)用的運(yùn)些參數(shù)的限制將在下文進(jìn)行討論和/或?qū)τ诒绢I(lǐng)域技術(shù)人員而 旨是清楚的。
[0104] 本文中所描述的元件和陣列還可W是多功能的。即，換能器元件或陣列在一個(gè)實(shí) 例中被指定為傳送器并不排除其在下一實(shí)例中立即被重新指定為接收器。而且，本文中的 控制系統(tǒng)的實(shí)施例包括基于用戶輸入、預(yù)先設(shè)定的掃描或分辨率標(biāo)準(zhǔn)、或其它自動(dòng)確定的 標(biāo)準(zhǔn)W電子方式進(jìn)行運(yùn)樣的指定的能力。
[0105] 點(diǎn)源傳送超聲成像的介紹
[0106] 在各種實(shí)施例中，點(diǎn)源傳送超聲成像(或者被稱為基于Ping的超聲成像)提供了優(yōu) 于傳統(tǒng)的基于掃描線的成像的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。點(diǎn)源傳送與"相控陣列傳送"不同之處在于其空間 特點(diǎn)側(cè)重于換能器元件陣列沿著定向掃描線在特定方向上的能量。點(diǎn)源脈沖(Ping)可W被 傳送，W便在掃描平面中生成二維圓形波前或=維球形波前，從而聲穿透盡可能寬的區(qū)域。 來自感興趣區(qū)域中的散射器的回波可W返回到接收孔徑的所有元件。運(yùn)些回波信號(hào)可W被 濾波、放大、數(shù)字化并且存儲(chǔ)在短期或長期存儲(chǔ)器(取決于特定系統(tǒng)的需求或能力）。
[0107] 圖像然后可W通過假設(shè)從點(diǎn)源發(fā)出的波前在感興趣區(qū)域中在物理上是圓形的而 由所接收的回波來重建。實(shí)際上，波前還可W在正交于掃描平面的維度上具有一些穿透 (即，一些能量可W大致"泄漏"到垂直于所期望的二維掃描平面的維度中，從而減少了有效 的成像深度）。附加地，"圓形"波前根據(jù)所使用的換能材料的獨(dú)特的離軸特性在換能器的前 面的前方可能實(shí)際上局限于半圓形或小于180度的圓形的一小部分。類似地，"球形"波前的 實(shí)際形狀在待成像的介質(zhì)內(nèi)可能是半球形或小于半球形。
[0108] -種其中波束成形器的焦點(diǎn)可W被連續(xù)地改變W聚焦在當(dāng)該像素被成像時(shí)的特 定像素位置的基于軟件、基于固件或基于硬件的動(dòng)態(tài)波束成形技術(shù)可W用來繪制從點(diǎn)源脈 沖接收的回波的位置。在一些實(shí)施例中，動(dòng)態(tài)波束成形器可W基于信號(hào)從傳送器到單個(gè)接 收換能器元件的往返行進(jìn)時(shí)間來繪制每個(gè)回波信號(hào)的軌跡。
[0109] 單個(gè)反射器的軌跡將沿著二維楠圓形(在二維成像的情況下)或=維楠球體(在= 維成像的情況下)放置。楠圓形或楠球體的第一焦點(diǎn)將處于傳送換能器元件的位置，并且第 二焦點(diǎn)將處于接收換能器元件的位置。盡管其它幾個(gè)可能的反射器沿著相同的楠圓形或楠 球體放置，但是相同反射器的回波還通過接收孔徑的其它接收換能器元件中的每個(gè)接收換 能器元件而被接收。每個(gè)接收換能器元件的稍微不同的位置意味著每個(gè)接收元件將針對(duì)給 定的反射器定義稍微不同的楠圓形或楠球體。通過相干求和用于公共接收孔徑的所有元件 的楠圓形或楠球體來累積結(jié)果將指示用于反射器的楠圓形或楠球體的交點(diǎn)，從而朝著在其 中顯示或定義表示反射器的像素或體素的運(yùn)一點(diǎn)匯聚。由任意數(shù)目的接收元件接收的回波 幅度由此可W被組合成每個(gè)像素或體素值。在其它實(shí)施例中，計(jì)算可W W不同方式進(jìn)行組 織W到達(dá)基本上相同的圖像。
[0110] 各種算法可W用于組合由單獨(dú)的接收元件接收的回波信號(hào)。例如，一些實(shí)施例可 W單獨(dú)處理回波信號(hào)，從而沿著其楠圓形在所有可能位置處繪制每個(gè)回波信號(hào)，然后進(jìn)行 到下一回波信號(hào)?？商娲兀蒞單獨(dú)處理每個(gè)像素位置，從而在繼續(xù)到下一像素位置之前 標(biāo)識(shí)并處理可能有助于該像素位置的所有回波。
[0111] 可W通過組合從相同或不同的點(diǎn)源（或多個(gè)不同的點(diǎn)源）傳送的由一個(gè)或多個(gè)隨 后傳送的Ping通過波束成形器形成的圖像而進(jìn)一步提高圖像質(zhì)量。還有，可W通過組合由 多于一個(gè)接收孔徑形成的圖像來獲得對(duì)圖像質(zhì)量的進(jìn)一步改進(jìn)。重要的考慮是對(duì)來自不同 的ping、不同的傳送點(diǎn)源或不同的接收孔徑的圖像的求和是否應(yīng)該是相干求和(相敏)或非 相干求和(在沒有相位信息的情況下，求和信號(hào)的幅度）。
[0112] 至于是否使用相干求和還是非相干求和的決定可能受到（多個(gè)）接收孔徑和/或 (多個(gè))傳送孔徑的橫向范圍/大小的影響。在一些實(shí)施例中，可W方便地限制孔徑的大小W 符合聲音的平均速度對(duì)于從散射器到接收孔徑的每個(gè)元件的每條路徑基本上是相同的假 設(shè)。對(duì)于狹窄的接收孔徑，運(yùn)種簡單假設(shè)很容易得W滿足。然而，當(dāng)接收孔徑的寬度增加時(shí)， 達(dá)到拐點(diǎn)（本文中被稱為"最大相干孔徑寬度"或"最大相干寬度"），超出該拐點(diǎn)，返回公共 反射器的回波所行進(jìn)的路徑將必然穿過具有本質(zhì)上不同的聲音速度的不同類型的組織。當(dāng) 運(yùn)種差異產(chǎn)生接近或超過180度的接收波前相移時(shí)，延長超過最大相干寬度的附加接收元 件將實(shí)際上會(huì)退化圖像，而不是提高該圖像。同樣的考慮還適用于傳送孔徑的大小，其可W 包括多個(gè)相干組合的換能器元件。在=維成像(或3D數(shù)據(jù)集合）中使用的二維換能器陣列的 情況下，可能有用的是在兩個(gè)維度中定義最大相干孔徑大小。因此，在各種實(shí)施例中，最大 相干孔徑可W被定義為呈正方形、圓形、多邊形或在任意兩個(gè)元件之間具有最大距離的其 它二維形狀的一組換能器元件，使得當(dāng)在孔徑的元件處接收的回波數(shù)據(jù)被相干組合時(shí)，相 位抵消將被避免。
[0113] 因此，為了實(shí)現(xiàn)總孔徑寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大相干孔徑寬度的寬探頭的固有益處(例 如，在空間分辨率增加方面），全探頭寬度可W在物理上或邏輯上被劃分成多個(gè)孔徑，其中， 每個(gè)可W局限于小于或等于最大相干孔徑寬度的有效寬度，并且因此足夠小W避免所接收 的信號(hào)的相位抵消。最大相干寬度對(duì)于不同的患者(或不同的測(cè)試對(duì)象)和同一患者的不同 的探頭位置而言可W不同。在一些實(shí)施例中，對(duì)于給定的探頭系統(tǒng)，可W確定折衷寬度。在 其它實(shí)施例中，多孔徑超聲成像控制系統(tǒng)可W用動(dòng)態(tài)算法被配置成將多個(gè)孔徑中的可用元 件細(xì)分成足夠小W避免顯著圖像退化相位抵消的組。在各種實(shí)施例中，可W經(jīng)由用戶控件 (諸如表盤或滑動(dòng)器)通過控制系統(tǒng)自動(dòng)地或通過用戶輸入手動(dòng)地確定具體的相干孔徑大 小。
[0114] 在一些實(shí)施例中，相干(相敏)求和可W用來組合由位于由一個(gè)或多個(gè)Ping產(chǎn)生的 公共接收孔徑上的換能器元件接收的回波數(shù)據(jù)。在一些實(shí)施例中，非相干求和可W用來組 合在運(yùn)些接收孔徑可能包含相位抵消數(shù)據(jù)時(shí)的由單獨(dú)的接收孔徑接收的回波數(shù)據(jù)或圖像 數(shù)據(jù)。運(yùn)可能是與組合總孔徑大于用于所給定的成像目標(biāo)的最大相干寬度的接收孔徑一樣 的情況。
[0115] 用于3D超聲成像的點(diǎn)源傳送
[0116] 當(dāng)從點(diǎn)源傳送換能器發(fā)起=維脈沖時(shí)，所得的半球面波前行進(jìn)到其中一些超聲能 量可W通過ROI中的散射器反射的感興趣區(qū)域(ROI)中。一些來自散射器的回波可W朝向探 頭的接收換能器元件往回行進(jìn)，其中，回波可W被檢測(cè)、放大、數(shù)字化并且存儲(chǔ)在短期或長 期存儲(chǔ)器設(shè)備中。每個(gè)數(shù)字化樣本值可W表示來自ROI的散射器。如同在2D情況中一樣，可 W分析每個(gè)所接收的樣本的幅度連同其到達(dá)時(shí)間和所使用的傳送和接收換能器的精確位 置W定義標(biāo)識(shí)散射器的潛在位置的點(diǎn)的軌跡。在3D的情況下，運(yùn)樣的軌跡是具有作為其焦 點(diǎn)的傳送和接收換能器的位置的楠球體。傳送和接收換能器元件的每個(gè)獨(dú)特組合可W定義 相同的反射器的單獨(dú)視圖。因此，通過組合來自多個(gè)傳送-接收換能器組合的信息，可W更 準(zhǔn)確地表示每個(gè)反射器的實(shí)際位置。
[0117] 例如，在一些實(shí)施例中，體素的3D陣列中的圖像可W W評(píng)價(jià)所選擇的數(shù)字樣本為 起點(diǎn)在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中進(jìn)行組裝。所選擇的數(shù)字化樣本值可W被寫入到由上文所描述的對(duì) 應(yīng)的楠球體所指示的每個(gè)體素中。進(jìn)行到對(duì)每隔一個(gè)所收集的樣本值進(jìn)行同樣的處理，然 后組合所有所得的楠球體可W產(chǎn)生更精細(xì)的圖像。真實(shí)散射器可能由許多楠球體的交點(diǎn)來 指示，而沒有被其它楠球體加固的楠球體的部分可能具有低的信號(hào)水平，并且可W被處理 為噪聲（即，通過過濾器或其它圖像處理步驟來消除或減少）。
[0118] 在其它實(shí)施例中，計(jì)算順序可W W待產(chǎn)生的最終3D圖像體積中的所選擇的體素為 起點(diǎn)進(jìn)行改變。例如，對(duì)于所選擇的體素，可W標(biāo)識(shí)每個(gè)傳送器/接收器對(duì)的最接近的存儲(chǔ) 樣本。然后可W評(píng)價(jià)并且求和(求平均)與所選擇的體素相對(duì)應(yīng)的所有樣本W(wǎng)產(chǎn)生體素的最 終表示。樣本到所選擇的體素的接近程度可W通過計(jì)算從傳送器(即，用來產(chǎn)生樣本的傳送 器)的=維位置到所選擇的體素位置的向量距離加上從所選擇的體素位置到用來產(chǎn)生樣本 的接收器的位置的向量距離進(jìn)行確定。運(yùn)樣的線性距離可W與通過由聲音通過所成像的對(duì) 象的速度來劃分總路徑長度的時(shí)間劃分的樣本值有關(guān)。使用運(yùn)樣的方法，與所計(jì)算的時(shí)間 相對(duì)應(yīng)的樣本可W與所選擇的體素相關(guān)聯(lián)。
[0119] 用于確定用于所接收的回波樣本的位置的技術(shù)通常在本文中被稱為波束成形，而 用于組合從多個(gè)傳送器/接收器獲得的信息或從使用相同的傳送器/接收器組合傳送的多 個(gè)單獨(dú)Ping獲得的信息的技術(shù)通?？蒞被稱為圖像層組合。在各種實(shí)施例中，帖可W由任 意數(shù)目的組合圖像層組成。帖可W W所期望的帖率依次在顯示器上顯示W(wǎng)形成移動(dòng)圖像或 視頻。上文所描述的波束成形過程還可W有利地用于使用原始回波數(shù)據(jù)通過3D體積來評(píng)價(jià) 2D橫截面切片中的像素值。在各種實(shí)施例中，可W通過3D體積在任意角度或沿著任何彎曲 路徑來制備運(yùn)樣的2D切片。相同的技術(shù)還可W用來使用原始回波數(shù)據(jù)進(jìn)行放大（即，增加特 征的大?。菙U(kuò)大所處理的像素或體素。
[0120] 表觀點(diǎn)源傳送器
[0121] 如上文所描述的，點(diǎn)源傳送器可W使用換能器陣列的單個(gè)小換能器元件來近似。 當(dāng)使用ID陣列（具有平行的縱向軸線的元件陣列，通常包括將信號(hào)聚焦到單個(gè)成像平面中 的透鏡)執(zhí)行2D ping成像時(shí)，單個(gè)元件能夠產(chǎn)生在成像平面中具有足夠能量W實(shí)現(xiàn)合理深 度的成像的ping。然而，當(dāng)成像有意地被擴(kuò)展到第S維度中時(shí)，典型的換能器陣列的單個(gè)小 傳送元件由于信號(hào)功率不足可能導(dǎo)致不足W產(chǎn)生具有足夠能量來獲得在所期望的深度的 可見圖像的ping。鑒于運(yùn)個(gè)事實(shí)，運(yùn)可W理解所傳送的超聲脈沖的功率在S維空間中而不 是兩維空間中被分散，所W波前的對(duì)數(shù)幅度根據(jù)平方反比關(guān)系而非呈線性進(jìn)行衰減。根據(jù) 所傳送的脈沖的頻率和處于觀察下的材料的衰減率，低能量Ping可W在返回所期望的深度 的可用信號(hào)之前減弱低于背景噪聲水平。一種解決方案可W是傳送來自多個(gè)相鄰元件的 "ping"，但是所使用的元件越多，傳送孔徑近似于點(diǎn)源就越少，其可W具有扭曲所傳送的波 形的半球面形狀(或在二維的情況下，半圓形形狀)的效果，運(yùn)可W導(dǎo)致圖像質(zhì)量降低。使用 多個(gè)傳送元件還降低了在波束成形計(jì)算期間用作傳送源楠球體焦點(diǎn)的點(diǎn)的確定精度，從而 進(jìn)一步降低了圖像質(zhì)量。圖像質(zhì)量的運(yùn)種降低在某些應(yīng)用中可W是可接受的，但是在其它 應(yīng)用中，可W期望較高質(zhì)量的圖像。
[0122] 在各種實(shí)施例中，"表觀點(diǎn)源傳送器"換能器可W被配置成產(chǎn)生接近實(shí)際點(diǎn)源并且 能量足W產(chǎn)生在所期望的深度的高質(zhì)量圖像的波形。在某些情況下，運(yùn)種表觀點(diǎn)源傳送器 可W被配置成使得超聲功率輸出在成像介質(zhì)內(nèi)僅可W受到安全考慮限制。
[0123] 如本文中所使用的，短語"點(diǎn)源"是指表示所傳送的2D或3D超聲波形的中屯、點(diǎn)