一種超聲非線性成像方法及系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于醫學技術領域，涉及一種超聲成像技術，具體涉及一種超聲非線性成 像方法及系統。
【背景技術】
[0002] 超聲影像技術具有無電離輻射、無侵入傷害、可實時成像、檢查費用低等優點，在 臨床診斷與治療中得到了非常廣泛的應用，適用于從心血管到肝臟、腎臟等腹部器官以及 婦產科、乳腺等全身多部位的診斷。
[0003] 長期以來，醫學超聲系統的理論基礎都是簡化的線性聲學物理模型。這一模型認 為聲源的發射頻率是介質中出現的唯一頻率成分以及聲源照射強度的增加將導致介質中 任一點的強度成線性增長。在這兩個假設下不再考慮超聲波的非線性效應。
[0004] 但是隨著醫學超聲系統所使用的頻率和強度的不斷提高，醫學超聲中已經出現不 可忽視的非線性效應。實際上，所有的傳聲介質包括生物組織都具有一定程度的非線性特 性。近幾年出現了基于超聲波非線性傳播過程中產生高次諧波現象的超聲影像方法，即組 織諧波成像（THI :tissue harmonic Imaging)。針對非線性傳播過程中產生的高次諧波分 量，將其提取成像。
[0005] 除諧波滋生以外，超聲波在介質內部傳播過程中發生的非線性效應還有波形畸變 和非線性附加衰減。即發送至被檢體內的超聲波在傳播過程中波形發生失真，從頻譜上看， 高次諧波分量逐漸增強。與此同時，由于超聲波能量向高次諧波轉移，從基波能量來看，除 了一般的線性衰減以外，還附帶了額外的非線性附加衰減。非線性效應的強弱除與聲源所 發出超聲波的頻率、強度等因素有關外，還與介質所固有的非線性聲參量的大小以及空間 分布有關。
[0006] 有大量研宄證實，生物組織所固有的非線性聲參量對生物組織在組份、結構及病 理狀態方面的變化更為敏感。然而基于線性理論假設的醫學超聲設備無法對組織中的非線 性聲參量的空間分布進行有效的探查。對于組織內部非線性聲參量的空間和時間分布的有 效成像，在臨床上將會產生巨大的經濟和社會效益。
[0007] 在美國專利No. 4771786中，使用多次發射具有不同強度的脈沖來對與累積的非 線性效應有關的變量進行成像。沿掃描線在不同深度上發射具有不同強度的超聲波脈沖， 并接收其回波。通過對回波的處理，計算出一個與組織內部非線性效應相關的一個變量。將 此變量的幅值沿掃描線按深度方向顯示在顯示器上，以此作為物體內部非線性效應強弱分 布的反映。
[0008] 在 M. Fatemi 等"Real-time Assessment of The Parameter of Nonlinearity in Tissue Using "Nonlinear Shadowing""中，以 M. Nikoonahad 和劉東權等"Pulse-echo single frequency acoustic nonlinearity parameter (B/A)measurement" 中提出的有限 振幅超聲波非線性傳播的基波近似解析解為基礎，沿掃描線發射兩次強度差別極大的超聲 激勵脈沖，增益補償后的基波回波包絡進行相減并作為成像結果顯示出來。其方法假設小 振幅信號的非線性效應可忽略，因此顯示的結果就僅包含與介質內部非線性聲參量大小分 布相關的非線性效應強弱分布。
[0009] 美國專利No. 4771786中，由于需要在不同深度上使用不同的強度多次發射并接 收，需要較長的數據采集、存儲以及處理的時間。不利于醫學超聲的實時成像。且其成像結 果是與被檢物體內超聲波衍射、散射、回波形成以及非線性效應等相關的若干變量，無法準 確反映被檢物體非線性聲參量的空間分布。M. Fatemi和J. F. Greenleaf的方法需要極高電 壓的超聲激勵脈沖，導致醫學超聲影像設備的MI (機械指標）無法滿足人體安全性相關要 求從而在醫學超聲影像系統上無法實現。而且目前醫學超聲影像設備發射的超聲波并不滿 足小振幅信號假設，導致此方法的成像原理存在較大缺陷。
【發明內容】
[0010] 本發明的目的在于克服上述技術缺陷，提供一種能夠針對超聲波在介質內傳播的 非線性效應進行成像的方法和裝置，能對生物組織內部非線性聲參量的空間分布進行實時 成像。
[0011] 為了實現上述發明目的，本發明提供了以下技術方案：
[0012] 一種超聲非線性成像系統，包括脈沖發生器和激勵脈沖電壓放大電路，其中，脈沖 發生器發送的激勵電壓至少包括第一激勵電壓和第二激勵電壓，第一激勵電壓和第二激勵 電壓的大小不同，且不同激勵電壓的發送變化周期小于10微秒級；所述系統還包括模擬放 大器和模數轉換器，接收與上述發射電壓快速變化的激勵脈沖相對應的回波信號，進行相 應的增益放大后進行模數轉換；前端控制器，對超聲前端的發射部分和接收部分分別進行 實時控制，使激勵脈沖的發射電壓和相對應的回波信號的放大增益成一定的比例關系；存 儲器，放大后的回波信號經過模數轉換、波束形成、正交解調，然后進入存儲器，不同激勵電 壓產生的回波信號分別存儲；非線性預處理單元，輸入的不同激勵電壓增益比的回波包絡 信號首先進行針對非線性效應的深度（時間）補償等非線性預處理；非線性處理單元得到 非線性預處理后的包絡信號，通過對數變換、減法處理等運算生成與上述被檢體內非線性 聲參量分布相關的非線性圖像。
[0013] 本發明還提供了一種超聲非線性成像方法，包括以下步驟：
[0014] 將激勵電壓變化的超聲波發送入被檢體內，激勵電壓至少變化兩次，激勵電壓的 變化周期小于10微秒級；接收分別與上述至少兩次的發送相對應的回波信號；針對接收的 信號，通過控制系統整體增益使回波信號放大增益與激勵電壓之間滿足一定比例關系；采 用放大增益控制后的回波包絡信號，通過非線性預處理、對數變換以及減法處理來消除被 檢體內線性衰減、回波形成能力、超聲波衍射等的影響，生成在上述被檢體內的超聲非線性 圖像。
[0015] 與現有技術相比，本發明的有益效果：在本超聲波診斷裝置中，采用在同一位置發 射兩次具有相同頻率和不同激勵電壓的超聲波脈沖，針對這兩次發射接收與其對應的回波 信號。接收到的回波信號會根據激勵電壓的峰峰值之比，進行相應比例的系統整體增益放 大。通過對前后兩次激勵電壓與整體增益成一定比例的回波信號之包絡在進行對數變換之 后進行相減處理，去掉回波包絡信號中與系統增益、介質的聲阻抗、散射特性、衍射效應等 相關的分量，提取出基波回波包絡信號中只與被檢體內非線性效應強弱分布有關的信息。 采用計算出的信號強度的差，生成針對掃描剖面的各位置通過亮度表示非線性效應強度的 非線性圖像。因此，能夠生成非線性圖像，能夠直觀且足夠敏感的進行例如肝臟組織富脂肪 化的程度、乳房脂肪組織和乳腺組織的分布、早期腫瘤的診斷等的評價。
[0016] 并且，能夠以并列顯示、重疊顯示等期望的方式顯示一般的超聲波B模式圖像和 非線性圖像。因此，在觀察圖像時，能夠使用通常的超聲波B模式圖像對組織結構進行容 易且快速的定位，使用非線性圖像對與非線性效應強度相對應的超聲波的強弱情況進行容 易、快速的觀察或診視。進而能夠通過與非線性效應強度相關的彩色顯示，能夠提供更直 觀、視覺敏感度高且更定量的非線性圖像。
【附圖說明】。
[0017] 圖1本發明構建的超聲診斷成像裝置系統實施例的原理框圖。
[0018] 圖2是本發明實施方案中成像函數值與被檢體非線性聲參量的函數關系。
[0019] 圖3是本發明實施例中的流程圖。
[0020] 圖4是本發明實施例中激勵脈沖波形圖。
[0021] 圖5是上述實施例中接收到的回波信號幀結構。
[0022] 圖6是上述實施例中一種可能的合成顯示方式示意圖。
[0023] 圖7是上述實施例中色彩映射表示意圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合試驗例及【具體實施方式】對本發明作進一步的詳細描述。但不應將此理解 為本發明上述主題的范圍僅限于以下的實施例，凡基于本
【發明內容】
所實現的技術均屬于本 發明的范圍。
[0025] 本發明的一個實施例，提供了一種超聲非線性成像方法，將激勵電壓變化的超聲 波發送入被檢體內，激勵電壓至少變化兩次，激勵電壓的變化周期小于10微秒級；接收分 別與上述至少兩次的發送相對應的回波信號；針對接收的信號，通過控制系統整體增益使 回波信號放大增益與激勵電壓之間滿足一定比例關系；采用放大增益控制后的回波包絡信 號，通過非線性預處理、對數變換以及減法處理來消除被檢體內線性衰減、回波形成能力、 超聲波衍射等的影響，生成在上述被檢體內的超聲非線性圖像。
[0026] 本發明提供的一個超聲非線性成像系統的具體實施例，如圖1示出。如該圖所示， 本超聲波診斷裝置主體100包括：發射/接收開關101、電壓放大電路102、脈沖發生器103、 前端控制器104、模擬放大器105、模數轉換器107、波束形成/濾波/正交解調/包絡檢波 107、存儲器109、圖像生成單元IKKB模式處理單元111、非線性預處理單元112、非線性處 理單元113、圖像合成顯示單元114、中心控制處理器108。裝置內的前端控制器104等有時 是由FPGA、集成電路等硬件構成，但有時也是軟件上被模塊化的軟件程序。
[0027] 以下針對各組成要素的功能說明他們直接的連接關系和信號傳遞關系。
[0028] 超聲波探頭21連接到發射/