像可以如何表示作為由像素構成的數字圖像。
[0053]基于聲脈沖的超聲成像
[0054]在各個實施例中，點源傳輸超聲成像(另外稱作基于聲脈沖的超聲成像)提供了優于傳統的掃描線的成像的數個優點。點源傳輸在其空間特性上不同于“相控陣列傳輸”，該“相控陣列傳輸”沿著專用掃描線從換能器元件陣列沿特定方向聚焦能量。可以發送未聚焦的點源脈沖(聲脈沖)以在掃描面中產生圓形(或球形)波前，由此聲穿透盡可能寬的區域。來自感興趣區域中的散射體的回聲將返回至接收孔徑的所有元件。這些回聲信號可以被濾波、被放大、被數字化，并且被存儲在短期或長期存儲器中(取決于特定系統的需要或性能)。
[0055]隨后可以通過假定從點源發射的波前在感興趣區域中物理地為圓形而從接收到的回聲重構圖像。實際上，波前也將在正交于掃描平面的維度中具有一些穿透(也即一些能量可以本質上“泄漏”至垂直于期望的二維掃描平面的維度中，減小有效成像范圍)。額外地，“圓形”波前實際上可以根據換能材料的獨特離軸特性而限制為在換能器正面前方小于180度的半圓形或一小部分圓形。類似的，當發送三維“球形”波前時，這些波前可以實際上具有半球形或更少的形狀，取決于使用的發送元件的特性。
[0056]從接收到的回聲形成圖像的方法通常在此稱作“波束成形”。在基于聲脈沖的成像中，波束成形可以通常包括對于每個接收到的回聲采樣確定像素顯示位置。因為每個聲脈沖聲穿透整個成像區域，可以采用單個換能器元件的回聲形成“整個”(雖然模糊不清)圖像。由從單個接收換能器元件所接收到的回聲形成的圖像可以稱作子圖像。可以通過組合由在多個換能器元件處接收到的回聲所形成子圖像而改進圖像質量。換能器元件可以分組為“孔徑”，并且來自共同孔徑的元件的子圖像可以組合以形成圖像層。
[0057]可以使用基于軟件或基于硬件的動態波束成形技術，來執行基于聲脈沖回聲的波束成形，其中波束成形器的焦點可以連續改變，以便隨著像素被成像而聚焦在特定像素位置處。這樣的波束成形器可以用于繪制從點源脈沖接收到的回聲的位置。在一些實施例中，動態波束成形器可以基于來自發射器的信號至單個接收換能器元件的來回旅程傳播時間而繪制每個回聲信號的軌跡。
[0058]單個反射體的軌跡將沿著橢圓分布，其第一焦點在發送換能器元件的位置處，而第二焦點在接收換能器元件的位置處。盡管數個其他可能的反射體沿著相同橢圓分布，相同反射體的回聲也將由接收孔徑的其他接收換能器元件的每一個接收。每個接收換能器元件的位置輕微不同，這意味著每個接收元件將對于給定反射體限定稍微不同的橢圓。通過對于共同接收孔徑的所有元件的橢圓相干求和而累加結果，將指示對于反射體的橢圓的交叉，由此朝向顯示表示反射體的像素的點而會聚。由任意數目接收元件所接收的回聲幅度可以由此組合為每個像素值。在其他實施例中，可以以不同方式組織計算以達到實質上相同的圖像。
[0059]各個算法可以用于組合由分立的接收元件所接收的回聲信號。例如，一些實施例可以單獨地處理回聲信號，沿著其橢圓在所有可能位置處繪制每個回聲信號，隨后進至下一個回聲信號。備選地，每個像素位置可以單獨地處理，識別和處理所有回聲潛在地有助于在進至下一個像素位置之前的該像素位置。
[0060]可以通過組合由波束成形器從一個或多個后續發送的、從相同或不同點源(或多個不同點源)發送的聲脈沖所形成的圖像而進一步改進圖像質量。可以通過組合由多于一個接收孔徑形成的圖像而獲得對圖像質量的另外其他改進。組合分立地波束成形的圖像的方法可以通常在此稱作圖像層組合。將來自在多孔徑超聲探頭的多個分立孔徑處接收到的回聲的圖像進行組合可以進一步改進圖像質量。
[0061 ] 在一些實施例中，可以通過從第一發送孔徑發送點源聲脈沖以及采用兩個或多個接收孔徑的元件接收回聲而操作基于聲脈沖的多孔徑成像，其中的一個或多個可以包括發送孔徑的一些或所有元件。可以通過基于在聲脈沖傳輸與回聲接收之間延遲時間、聲音的速度、以及發送和接收換能器元件的相對位置，而通過對散射體位置進行三角定位而形成圖像。結果，可以由每個接收元件所接收的每個發送聲脈沖的回聲而形成整個聲穿透區域的子圖像。將來自由被分組為單個接收孔徑的多個元件所接收到的回聲的子圖像進行組合，可以產生參照相交橢圓如上所述的改進。
[0062]在一些實施例中，可以通過將由在來自單個發送聲脈沖的兩個或多個接收孔徑處接收到的回聲形成的圖像進行組合，而形成單個時域幀。在其他實施例中，可以通過將由在來自兩個或多個發送的聲脈沖的一個或多個接收孔徑處接收到的回聲形成圖像進行組合而形成單個時域幀。在一些這種實施例中，多個發送的聲脈沖可以源自不同的發送孔徑。圖1示出了三陣列多孔徑超聲成像探頭10與表示為網格的待成像的感興趣區域20的實施例。探頭10示出具有左側換能器陣列12，其可以包括標注為和“k”的三個發送孔徑(在此可以以簡寫標志而稱作Ln、Lj和Lk)。右側的換能器陣列14也可以包括三個發送孔徑“n”、“ j”和“k” (可以在此以簡寫標志稱作Rn、Rj和Rk)。左側換能器陣列12的一些或所有元件也可以指定為左側接收孔徑13。類似的，右側換能器陣列14的一些或所有元件可以指定作為右側接收孔徑15。除了左側和右側陣列之外，多孔徑超聲探頭10可以包括中心換能器陣列16，其可以包括標注為和“k”的三個發送孔徑(可以在此以簡寫標志稱作Cn、Cj和Ck)。中心換能器陣列16的一些或所有元件也可以指定作為中心接收孔徑17。應該理解的是，三個孔徑的每一個可以包括沿一個、兩個或三個維度相互間隔的任意數目的換能器元件。
[0063]在其他實施例中，任何其他多孔徑超聲成像探頭可以與以下所述的系統和方法結合使用。
[0064]在一些實施例中，可以假定由聲速對于從散射體至接收孔徑的每個元件的每一個路徑相同，而限定接收孔徑的寬度。在足夠窄的接收孔徑中，該簡化的假設是可接受的。然而，隨著接收孔徑寬度增大，到達反射點(在此稱作“最大相干孔徑寬度”、“最大相干寬度”或“相干寬度”)，在此回聲返回路徑將必需穿過具有不同聲速的不同類型組織。當該差異導致接近180度的相移時，超過最大相干接收孔徑寬度的額外的接收元件將實際上使得圖像退化而不是改進。
[0065]因此，為了利用具有比最大相干寬度更大的總孔徑寬度的寬探頭，全部探頭寬度可以物理地或邏輯地劃分為多個孔徑，每一個對于期望的成像應用可以限定于小于最大相干孔徑寬度、但是足夠小以避免接收到信號的相消除的寬度。最大相干寬度對于不同的患者并且對于相同患者上不同探頭位置可以不同。在一些實施例中，可以對于給定成像方案確定折衷的寬度。在其他實施例中，可以采用動態算法配置多孔徑超聲成像控制系統，以將多孔徑中可用的元件再細分為足夠小以避免顯著相消除的群組。
[0066]在一些實施例中，當將元件分組為具有小于最大相干寬度的寬度的孔徑時，可能難以或無法滿足額外設計約束。例如，如果材料在非常小的面積之上是異類的(heterogeneous)，則其可以無法形成足夠小的孔徑以小于最大相干寬度。類似的，如果設計系統以在巨大深度處成像非常小的目標，可以需要具有寬度大于最大相干寬度的孔徑。在這些情形中，可以通過進行額外的調整來調節適應具有寬度大于最大相干寬度的接收孔徑，或者可以做出校準以解決沿著不同路徑的聲速差。在此提供了這些聲速調整的一些示例，盡管其他方法也可以是已知的。
[0067]圖像層組合
[0068]如上所述，多個圖像層可以組合以改進最終組合圖像的整體質量。在一些實施例中，圖像層的數目可以是接收孔徑的數目與發送孔徑的數目的乘積(其中“發送孔徑”可以是單個發送元件或者發送元件的群組)。在其他實施例中，也可以使用單個接收孔徑執行相同聲脈沖成像方法。在一些實施例中，可以在波束成形之前執行對一些圖像層的組合。在這些實施例中，兩組或多組回聲可以相干或者不相干地組合(如以下所述)，并且可以使用這種組合的結果執行波束成形方法。這種預波束成形圖像層組合可以用于組合對應于子圖像的回聲數據，子圖像可以由共同接收孔徑的多個元件所接收的回聲形成。備選地，這種預波束成形圖像層組合可以用于將對應于可以由同相形成的子圖像的回聲數據進行組合、并且對由單個接收元件接收的回聲數據進行積分。
[0069]在參照圖1的一個實施例中，可以通過從第一發送孔徑Ln發送第一聲脈沖、采用左側接收孔徑13的元件接收第一聲脈沖的回聲、以及將由左側接收孔徑13的每個元件所接收的回聲所構造的子圖像進行組合，而構造第一圖像層(例如表示網格20中所有點，或者僅網格20的區段)。在一些實施例中，可以相干地組合子圖像以形成圖像層。可以類似地由采用右側接收孔徑15的元件所接收的第一聲脈沖的回聲而形成第二圖像層。可以類似地通過從第二發送孔徑Lj發送第二聲脈沖、并且采用右側接收孔徑13的元件以及右側接收孔徑15的元件接收第二聲脈沖的回聲，而形成第三和第四圖像層。在一些實施例中，所有四個圖像層可以隨后組合以形成單個時域圖像幀。在其他實施例中，單個時域圖像幀可以由在任意數目接收孔徑處接收的回聲、和/或由任意數目的發送孔徑所發送的任意數目的聲脈沖而獲得。時域圖像幀可以隨后作為連續移動的圖像順序地顯示在顯示屏上。也可以通過使用任何以上技術組合圖像層而形成靜止圖像。
[0070]顯示屏和顯示在它們上的圖像可以通常被劃分為像素的網格。在一些情形中，像素是顯示屏的最小單獨可控區域。圖像像素與顯示像素之間的關系通常為本領域充分理解，并且在此不再贅述。在此許多實施例中，像素的群組可以一起處理作為共同群組。因此，術語“像素”的使用并非有意限定為任何特定尺寸，而是用作方便的術語以用于描述圖像的離散區段。
[0071]除非另外給出規定，圖1的網格20同時表示了在待成像的對象中感興趣區域(“ROI”)內顯示像素的網格與對應點的網格。術語“ROI點”將在此用于描述在相對于探頭的固定位置處掃描平面(或3D掃描空間)內的點。如從以下說明書將明確的，ROI點并非總是必需直接關聯至像素位置。例如，如果“放大”圖像以展示更小的區域30，顯示像素20的網格將僅對應于在感興趣區域中放大區域30內的點。然而，在任何縮放水平處，可以以高精度確定由給定圖像像素所表示的ROI點的物理位置(相對于探頭)。
[0072]采用點源傳輸成像技術的多孔徑探頭，可以通過波束成形接收到的回聲數據以將從多個接收孔徑的每一個處接收到的以及從多個發送孔徑的每一個發送的回聲而組合信息，從而組裝每個圖像像素。在基于聲脈沖多孔徑成像的一些實施例中，接收波束成形可以包括通過將由正被檢查對象中散射體所返回以及由接收換能器元件接收的延時回聲相加求和，而形成重構圖像的像素。對應于這些回聲的延時可以與基于探頭元件的幾何形狀的像素位置(也即每個元件相對于共同坐標系的位置)以及對于穿過正被成像媒介的聲速的假定數值相關聯。重要的考慮是總和是否應當是相干(相位敏感)或非相干的(對信號幅度求和而無視相位信息)。通常，可以使用相干求和來組合由劃分在共同接收孔徑中的兩個或多個單獨接收元件所接收到的回聲所構造的子圖像。
[0073]從多個發送的聲脈沖得到的圖像層的求和可以或者由相干相加、非相干相加、或兩者的組合而完成。相干相加(在幅度相加期間保留相位信息)趨向于最大化橫向分辨率，而非相干相加(對信號的幅度求和而不考慮相位信息)趨向于減小斑點噪聲，并且也最小化可以由穿過成像媒介的聲速的次要變化而引起的圖像層未對準誤差的效應。通過非相干求和減小斑點噪聲，因為每個圖像層將趨向于顯影其自身獨立的斑紋圖案，并且非相干地求和圖案具有使得斑點圖案平均的效果；另一方面，如果圖案是相干相加的，僅得到一個強的斑點圖案。
[0074]非相干相加容忍聲速的變化，這是因為采用導致僅半波長延遲的聲速變化而相干地求和兩個像素可以導致破壞性相消除；而如果它們非相干地相加，相同或更大的延遲僅引起圖像層中不嚴重的扭曲失真。這些圖像層的相加可以導致最終圖像的一些平滑化(在一些實施例中，可以有意的添加這種平滑以使得圖像更可讀)。
[0075]可以按照三個圖像層描述圖像層組合，由此可以進行相干與非相干的確定。這些三個情形包括第一級圖像層、第二級圖像層和第三級圖像層。(I)第一級圖像層可以由在從單個發送孔徑處接收的、由單個發送孔徑的單個聲脈沖得到回聲形成。對于單個聲脈沖與單個接收孔徑的獨特組合，來自由接收孔徑中所有接收元件所接收的回聲的子圖像可以被求和以獲得第一級圖像層。(2)可以將由在單個接收孔徑處接收的、多個發送的聲脈沖的回聲(來自相同或不同發送孔徑)得到的多個第一級圖像層一起求和，以產生第二級圖像層。可以通過額外地處理以改進對準或其他圖形特性從而進一步改進第二級圖像層。(3)可以通過將采用來自多個不同接收孔徑的數據所形成的第二級圖像層進行組合，而獲得第三級圖像。在一些實施例中，第三級圖像可以被顯示為順序的時域幀以形成移動的圖像視頻。
[0076]如果探頭元件的幾何形狀對于期望精度是已知的并且所有路徑之上聲速基本上恒定的假設是有效的，在所有三個圖像層的層級處，相干相加可以導致多個孔徑系統的最大橫向分辨率。同樣地，在所有圖像層層級處，非相干相加導致斑點噪聲的最佳平均化以及對于穿過成像媒介的聲速次要變化的容忍。
[0077]在一些實施例中，諸如當將由在不同接收孔徑處(其中不同接收孔徑以足以引起兩個接收孔徑的總孔徑超過對于給定成像應用的相干寬度的距離而分立)接收到的回聲所形成的圖像進行組合時，相干相加可以用于組合由其中相位消除不太可能是問題的孔徑所得到的圖像層，并且非相干相加可以隨后用于其中相位消除將更可能出現問題的情形。
[0078]在一些實施例中，假定選擇所使用的接收孔徑以具有小于最大相干孔徑寬度的寬度，可以通過使用相干相加形成所有第一級圖像。對于第二和第三級圖像層，相干和非相干求和的許多組合是可能的。例如，在一些實施例中，第二級圖像層可以通過相干地求和起作用的第一級圖像層而形成，而第三級圖像層可以通過非相干地對起作用的第二級圖像層求和而形成。
[0079]在其他實施例中，可以需要通過使用相干和非相干求和的組合的廣泛類型的任何算法而組合圖像層。在一些實施例中，可以配置成像控制系統以存儲可以設計用于具體成像應用的多個可選擇預編程求和算法。在一些實施例中，這些存儲的求和算法可以手動地選擇，諸如通過操作手動用戶界面控制。備選地，這些存儲的求和算法可以基于對于控制系統可用的其他數據或信息而自動的選擇。
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