專利名稱：使用互調分量信號的非線性超聲診斷成像的制作方法
技術領域：
本發明涉及醫學診斷成像系統，并且特別涉及，在其中使用發送的信號的非線性互調分量進行成像的超聲診斷成像系統。
背景技術：
現今發現用非線性信號進行的成像在診斷超聲中有兩種主要應用。一種是組織諧波成像，其中當線性(通常是正弦曲線)發送波形穿過身體時，其被允許經歷自然失真。該失真引起非線性諧波成分的發生，該諧波最重要的部分通常在基本發送頻率的二次諧波中。對接收到的回波進行濾波以從線性成分中分離非線性成分。優選的分離技術被稱為脈沖反轉，在美國專利5,951,478(Hwang等)中對其進行了描述。由于因多路掃描而使其干擾水平低，因此需要從非線性成分產生的圖像。
非線性成像的第二種重要應用是超聲造影劑的成像。造影劑的微泡可以被設計成非線性振蕩或者當被超聲穿透時破裂。這種振蕩或者破裂將導致從微泡返回的回波富含非線性成分。這些回波以與組織諧波信號相似的方式被接收和處理以分離該微泡回波的非線性成分。以這些回波產生的圖像能清晰地分割血流和包括造影劑的血管。
美國專利6,440,075(Averkiou)描述了一種增強非線性信號成分之產生的非線性成像技術。這通過發送具有兩個主頻的波形實現。當波形通過組織或者遇到微泡時，每個發送頻率的非線性成分將如上面描述的那樣發生。此外，這兩個發送頻率成分將互調，從而發生非線性和頻成分以及差頻成分。這兩種類型的非線性信號都被接收并用于形成圖像，這些圖像通過使用兩種非線性機制而得到增強。該專利給出多種方式的實施例，其中可以形成以及定位和頻以及差頻，例如通過對主發送頻率使用換能器通頻帶各側和對差頻和諧波頻率使用中心。專利‘075的圖7給出在換能器通頻帶各側發送頻率f1和f2且在該通頻帶中心接收回波成分f1-f2和2f2的實施例。所示出的發送技術還可以有利地從數字存儲的發送波形產生。
對于例如肝臟成像的深腹成像經常需要的在體內更深深度的成像，需要較低頻率以應對依賴于深度的頻率衰減效應。如專利‘075中的實施例所示，互調分量通常在通頻帶的中心或者更高處，并因此在更深深度成像中可能受到大幅衰減的影響。這種衰減可能降低所接收到的回波的信噪比特性并且因此降低這些圖像的診斷質量。因此當在身體更深處成像時需要能夠以產生高診斷圖像的方式利用互調非線性成像。
發明內容
根據本發明的原理，描述了一種用于在更深深度以互調分量進行非線性成像的方法和裝置。發送波形包括兩個主頻成分，其中一個頻率是另一個頻率的兩倍。發送波形被發送兩次，每次具有不同的發送調制。將從這兩次發送接收到的回波相結合以通過脈沖反轉分離兩個主頻成分的非線性差頻成分。這些差頻成分定位在這兩個主頻成分中較低那個處，并因此較少受到依賴于深度的衰減效果的影響。
在下列附圖中圖1示出形成根據本發明的原理構建的超聲診斷成像系統的方框圖。
圖2A-5B示出根據本發明的原理用于產生非線性回波信號成分的波形。
圖6A和6B示出使用圖3A和5A中的回波信號的脈沖反轉分離的結果。
圖7A和7B示出根據本發明另一實施方式的兩個不同調制的發送方波。
圖7C示出圖7A和7B中發送方波的頻譜和接收到的回波信號的非線性成分。
具體實施例方式
首先參考附圖1，其示出根據本發明的原理構建的超聲診斷成像系統。圖1中的超聲系統利用一個發送器16，其發送多頻率束以便在要被成像的受檢者內非線性生成差頻信號。該發送器通過發送/接收開關14耦合到掃描頭10的陣列換能器12的元件上。如圖所示，該發送器響應于許多控制參數，這些參數確定了發送束的特性。多頻束的兩個主頻f1和f2受到控制，這兩個頻率確定了差(f1-f2)頻成分所處的頻率。這兩個被發送的頻率成分的幅度和強度a和b也受到控制，使得發送束形成(bsin(2πf1t)+asin(2πf2t))的形式。接收到的差信號成分(f1-f2)將具有幅度c，其不是a和b強度的線性分量，而是由于非線性效應產生的差信號。
圖1中，換能器陣列12從身體接收回波，含有在換能器通頻帶范圍內的差頻成分。這些回波信號通過開關14耦合到波束生成器18，該波束生成器適當地延遲來自不同元件的回波信號，然后對其進行組合以沿束形成深度從淺到深的差信號序列。波束生成器優選地是數字波束生成器，其操作數字化的回波信號以產生從近景深到遠景深的離散相干數字回波信號序列。該波束生成器可以是多線波束生成器，其沿響應于單個發送束而沿著多個在空間不同的接收掃描線產生兩個或者更多的回波信號序列。波束生成的回波信號耦合到非線性信號分離器20。分離器20可以是帶通濾波器，其通過和通頻帶或者差通頻帶66、76，而相對排除(衰減)發送頻帶62、64或者72、74。在示出的實施方式中，分離器20是通過脈沖反轉技術分離包括差頻成分的非線性信號的脈沖反轉處理器。由于該差頻信號由非線性效應產生的，它們可以有利地通過脈沖反轉處理而被分離。為了脈沖反轉，該發送器具有另一可變的發送參數，該參數是發送脈沖的相位、極性或者幅度，如圖所示。該超聲系統發送兩個或者多個不同發送極性、幅度和/或相位的束。對于示出的兩個脈沖的實施方式，響應于該第一發送脈沖而被接收的掃描線回波存儲在Line1緩沖器22中。響應于該第二發送脈沖而被接收的掃描線回波存儲在Line2緩沖器24中，并然后通過加法器26與Line1緩沖器中的空間相應回波相結合。可選擇地，該回波的第二掃描線可以直接與存儲的第一掃描線的回波相結合而不需要緩沖。由于發送脈沖的相位或者極性不同，異相的基本(線性)回波成分將抵消，并且同相的非線性差頻成分將結合以彼此加強，從而產生增強的和隔離的非線性差頻信號。該差頻信號可以由濾波器30進一步過濾以移除不希望的信號，例如那些由抽取等操作產生的信號。然后由檢測器32檢測這些信號，檢測器可以是幅度或者相位檢測器。這些回波信號然后由信號處理器34處理以便于隨后的灰度級、Doppler或者其它超聲顯示，然后由圖像處理器36進一步處理以用于二維、三維、頻譜的、參數的、或者其它顯示形式。獲得的顯示信號被顯示在在顯示器38上。
根據本發明的原理，該發送器發送具有兩個主發送頻率f1和f2的波形，其中f2＝2f1。由于例如波形通過組織或由非線性造影劑微泡反射的非線性效應，這兩個發送頻率將在體內互調。該互調在這兩個主頻的和頻率以及差頻率處產生成分。由于所選擇的主頻，差頻f2-f1＝f1，其包括較低的發送頻率處的非線性信號成分。由于該較低發送頻率將展現最大的穿透深度，非線性信號成分將從該最大深度返回，在該深度可以接收最低頻率的f1。由此，方便了在較深深度的成像。
該處理的實施例由圖2A至6B示出。圖2A是展現第一調制特性的第一發送波形50的圖解時域圖，在本實施例中該第一調制特性是特定的相位特性。該曲線圖的橫坐標是時間，而縱坐標是幅度。如圖2B所示，發送波形50具有兩個主頻成分。該圖解圖示出發送波形50的頻譜。該曲線圖的橫坐標可以看做以MHz為單位的頻率或者諧波次序(order)，而縱坐標是幅度。該頻譜示出該第一發送波形具有大約1MHz的第一主頻成分52和大約2MHz的第二主頻成分53。可以看出第二主頻成分53是第一主頻成分的值的兩倍。可選擇地，該頻譜可以看做具有兩個主基頻成分，其中較高的頻率成分在較低頻率成分的二次諧波頻率處。
如圖3A所示，當該第一發送波形入射到非線性媒介或者對象，回波54返回并被換能器12接收。該回波具有如圖3B所示的頻譜響應。該頻譜包括基頻成分55、56和57。為了便于解釋，將響應特性55稱為基本響應，將特性56稱為二次諧波響應，而將響應特性57稱作三次諧波響應。基本成分55包括來自發送成分52的線性響應，也包括來自發送頻率的互調分量的非線性響應。在這種情況下，互調分量是差頻f1-f2，在該f2＝2f1的實施例中，差頻等于f1。二次諧波成分56是來自發送成分53的線性響應并且該二次諧波是發送成分52的非線性響應。三次諧波成分57完全是非線性響應。該成分包括發送頻率成分52的三次諧波成分和互調頻率的和f1+f2，在該情況下互調頻率的和為3f1。將回波信號54波束生成并存儲在Line1緩沖器22中。
如圖4A所示，第二發送波形60發送到與第一波形50相同的目標或者媒介。該第二發送波形以與第一發送波形不同的方式調制，在該實施例中是通過不同相位特性。該第二發送波形的頻譜特性62在圖4B中示出，可以看出其與第一發送波形的特性相同并展現第一和第二主頻率成分。響應于該第二發送波形而從該媒介或者目標接收的回波64在圖5B中示出，并可以看出由于波形的相位調制不同其與第一發送波形的回波54不同。回波信號64的頻譜特性與回波54的大體相同，這可以從圖5B中的頻譜響應曲線65、66和67看出。來自該第二發送波形的回波包括發送波形的第一和第二主頻成分的基本成分、第一(較低)主頻成分的三次諧波、第一和第二主頻成分的非線性(二次)諧波、以及1MHz處兩個主頻成分的差信號互調分量。將回波信號64波束生成并存儲在Line2緩沖器24中。
通過用加法器26對這兩個存儲的回波相加，而經由脈沖反轉將這些回波信號的非線性成分分離開。由于發送波形的不同調制這兩個信號的結合導致線性成分彼此抵消，并使得這兩個回波的非線性成分彼此增強。對于該實施例來說，結合的結果是圖6A所示的信號70。該信號的頻譜在圖6B中示出并且具有三個分立的成分71、72和73。可以看出該頻譜在f1頻率的二次和三次諧波頻率處包括第一主頻率成分f1的非線性成分2f1和3f1。該頻譜在f1成分的基本頻率處也具有非線性成分，其是第一和第二主頻成份的差頻并且在3f1處還具有補償(contribution)，3f1是第一和第二主頻成分的和頻率。當發送波形發送到物質的(substantial)景深并從該景深接收回波時，可以預期該接收到的回波受到依賴于深度的頻率衰減的顯著影響。這將導致較高的二次和三次諧波頻率的顯著衰減，結果使二次諧波圖像模糊或者出現噪聲。然而由于使用了f2＝2f1，差頻成分與第一頻率成分有同樣低的頻率f1。也就是，2f1-f1＝f1。由于該成分是在受檢者內發生的非線性互調分量，其將不會受到自身基本(線性)f1發送信號的干擾效果影響。差頻成分的頻率衰減將不會大于f1頻率的頻率衰減，使得能夠從更深的景深產生在診斷中更為有效的圖像，這是因為可以利用來自f1、2f1和3f1頻率的成分形成非線性圖像。此外，能夠將差頻成分f1、2f1和3f1結合以減少圖像中的噪點，如申請號為60/527,538的美國專利申請中描述的那樣。
當在相位和幅度兩者上逐脈沖地調制發送波時，將得到下列頻譜。一次諧波頻率范圍將包括發送頻率52和62的非線性基本成分加上53-52和63-62的差頻。二次諧波頻率范圍將包括頻率53的非線性基本成分和頻率52的二次諧波。三次諧波響應將包括頻率52的三次諧波以及頻率52和53的和頻率。
根據本發明的另一方面，具有第一和第二主頻率成分的發送波形可以由方波形產生。圖7A和7B示出第一和第二發送波形，它們是被不同調制的方波形80和82。可以看出這些波形是彼此180°異相的，從而產生回波，非線性成分可以通過脈沖反轉處理從這些回波分離出來。方波形能夠通過廉價的切換發送器產生，其中通過在不同電壓電平(rail)之間切換來產生輸出。制造這種發送器比對數字存儲的波形執行數模轉換的發送器更廉價，后者能產生精確加工的特定波形的發送信號。由此該實施方式有助于在具有簡單切換發送器的廉價超聲系統中使用。
方波信號的陡峭切換使得信號富含諧波頻率成分。在奇次諧波頻率方波將產生具有主頻成分的發送信號。圖7C以實線示出方波信號的頻譜，可以看出其具有在基本(一次諧波)頻率f1的第一主頻成分84，以及在三次諧波頻率3f1的第二主頻成分86，留下基本上擺脫發送信號頻率的媒介二次諧波頻率。由非線性媒介或者目標導致的第一和第二主頻成分84和86的互調將在返回的回波信號中的媒介二次諧波頻率處生成差頻成分3f1-f1＝2f1，如虛線通頻帶88所指出的那樣。通頻帶88還將包括在通頻帶84中頻率的二次諧波。接收的差信號能夠通過用具有通頻帶88的濾波器進行帶通濾波而被分離或者通過將進一步衰減接收到的線性信號成分的脈沖反轉而被分離。被接收并分離的非線性回波信號將由此基本不會被干擾或者發送信號的其它成分所污染。
總之，通頻帶88包括通頻帶84中發送的頻率成分的二次諧波(2f1)，和在帶84和86中成分3f1-f1的差頻。當使用相位(或者極性)和幅度調制兩者時，接收到的成分包括發送帶84中頻率的非線性基本頻率成分；媒介帶88中的二次諧波(2f1)和差頻成分(3f1-f1)；以及更高通頻帶86中的三次諧波(3f1)成分。
權利要求
1.一種用于以互調分量信號進行非線性成像的超聲診斷成像系統，包括陣列換能器，用于發送超聲波并響應于該超聲波接收回波信號；發送器，與該陣列換能器耦合，這使得該陣列換能器發送以不同方式調制的第一和第二波到目標位置，每個波包括第一和第二主頻成分，其中該第二主頻成分的頻率是第一主頻成分的兩倍；波束生成器，其與陣列換能器耦合，該波束生成器響應于發送的波形成相干回波信號，包括第一和第二主頻成分的差頻信號；脈沖反轉處理器，其與波束生成器耦合，該脈沖反轉處理器用于分離第一和第二主頻成分的差頻信號以相對排除第一主頻成分的線性信號成分；以及顯示器，其與脈沖反轉處理器耦合，以顯示從差頻信號形成的圖像。
2.如權利要求1所述的超聲診斷成像系統，其中該波束生成器進一步包括響應于發送的波而形成相干回波信號的裝置，包括第一和第二主頻成分在第一主頻成分頻率處的差頻信號。
3.如權利要求1所述的超聲診斷成像系統，其中脈沖反轉處理器進一步包括分離該第一和第二主頻成分的非線性差頻信號以相對排除第一主頻成分的線性信號成分的裝置。
4.如權利要求1所述的超聲診斷成像系統，其中該發送器進一步包括使得陣列換能器發送在振幅上以不同方式調制的第一和第二波到目標位置的裝置。
5.如權利要求1所述的超聲診斷成像系統，其中該發送器進一步包括使得陣列換能器發送至少在相位或者頻率之一上以不同方式調制的該第一和第二波到目標位置的裝置。
6.如權利要求1所述的超聲診斷成像系統，其中該換能器進一步包括用于發送超聲波和響應于該波從景深接收回波的陣列換能器，更高頻率的信號在該景深具有顯著的依賴于深度的頻率衰減。
7.如權利要求1所述的超聲診斷成像系統，其中該陣列換能器進一步包括用于接收包括差頻成分的回波的裝置，該差頻成分由非線性目標或者媒介引起的第一和第二主頻的互調形成。
8.如權利要求7所述的超聲診斷成像系統，其中非線性目標包括造影劑微泡。
9.如權利要求7所述的超聲診斷成像系統，其中非線性媒介包括身體組織。
10.一種用于以互調分量信號進行非線性成像的超聲診斷成像系統，包括陣列換能器，其用于發送超聲波并響應于該波接收回波信號；發送器，其與該陣列換能器耦合，這使得該陣列換能器發送方波到目標位置，每個方波發送第一和第二主頻成分，其中該第二主頻成分的頻率是第一主頻成分的三倍；波束生成器，其與陣列換能器耦合，該波束生成器響應于發送的方波而形成相干回波信號，包括第一和第二主頻成分的差頻信號；信號分離電路，其與波束生成器耦合，該信號分離電路用于分離第一和第二主頻成分的差頻信號以相對排除第一主頻成分的線性信號成分；以及顯示器，其與脈沖反轉處理器耦合，以顯示從差頻信號形成的圖像。
11.如權利要求10所述的超聲診斷成像系統，其中該發送器進一步包括用于使得該陣列換能器發送以不同方式調制的方波到目標位置的裝置，每個方波發送基頻的奇次諧波。
12.如權利要求11所述的超聲診斷成像系統，其中該發送器進一步包括用于使得該陣列換能器發送以不同方式調制的方波到目標位置的裝置，每個方波發送基頻的一次和三次諧波頻率并相對缺少處于基頻二次諧波頻率位置的信號分量。
13.如權利要求12所述的超聲診斷成像系統，其中該波束生成器進一步包括響應于該發送的方波形成相干回波信號的裝置，包括第一和第二主頻成分的處于基頻二次諧波頻率的差頻信號。
14.如權利要求12所述的超聲診斷成像系統，其中該波束生成器進一步包括響應于該發送的方波而形成相干回波信號的裝置，包括第一和第二主頻成分的互調分量。
15.如權利要求14所述的超聲診斷成像系統，其中該波束生成器進一步包括響應于該發送的方波而形成相干回波信號的裝置，包括第一和第二主頻成分的互調分量，其中該互調分量位于該基頻的二次諧波頻率。
16.如權利要求10所述的超聲診斷成像系統，其中該發送器進一步包括用于在離散的電壓電平之間切換輸出波形的切換發送器。
17.如權利要求10所述的超聲診斷成像系統，其中該信號分離電路進一步包括帶通濾波器。
18.如權利要求10所述的超聲診斷成像系統，其中該發送器進一步包括使得該陣列換能器發送以不同方式調制的第一和第二方波到目標位置的裝置；其中該波束生成器進一步包括用于響應于以不同方式調制的該第一和第二方波而形成相干回波信號的裝置；以及其中該信號分離電路進一步包括脈沖反轉電路，所述脈沖反轉電路對響應于以不同方式調制的該第一和第二方波而接收到的相干回波信號敏感。
19.如權利要求18所述的超聲診斷成像系統，其中該發送器進一步包括用于使得該陣列換能器發送在振幅、相位或極性至少一個中以不同方式調制的第一和第二方波的裝置。
全文摘要
一種超聲成像系統，發送包括第一和第二主頻成分的波形，這些主頻成分由通過非線性媒介或者與造影劑微泡相接觸而互調以產生差頻成分。在示出的實施方式中，該第二主頻的頻率是第一主頻的兩倍，使得差頻信號處于第一主頻。發送兩種以不同方式調制的發送波形并通過脈沖反轉分離差頻成分。
文檔編號A61B8/14GK1976635SQ200580021999
公開日2007年6月6日 申請日期2005年6月22日 優先權日2004年6月30日
發明者M·阿弗基歐, S·詹森 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司