超聲成像系統及方法
【專利摘要】本發明提供了一種基于基波的融合諧波成像的超聲成像系統及方法，在進行波束接收和存儲、匹配濾波后，將基波信號和諧波信號提取包絡信號后加權融合。彌補諧波遠場穿透力弱的缺點，結合諧波信號分辨率好和基波信號穿透力強的優點，將遠場基波信號和近場、中場諧波信號相融合，從而提高圖像質量。同時，信號融合過程中，為了預防中場和遠場圖像邊界分明，采用諧波信號和基波信號平滑過渡。在提高近場分辨率的同時保證遠場的穿透力。
【專利說明】
超聲成像系統及方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種超聲成像系統及方法，尤其是基于基波的融合諧波成像方法，用于醫學超聲圖像領域。
【背景技術】
[0002]醫學超聲圖像在醫學診斷中起著十分重要的作用，具有對人體無損傷、無痛苦、顯示方法多樣等特點。傳統的超聲圖像設備是接收和發射頻率相同的回波信號成像，即基波成像。單純使用基波成像技術具有很多局限性，相對于CT等其他診斷設備，超聲圖像存在分辨率較低，成像區域受限等問題。
[0003]回波信號受到人體組織的非線性調制后產生基波頻率整數倍等高次諧波，其中二次諧波幅度最強，為此利用人體回聲的二次等高次諧波構成人體器官的圖像，可提高圖像清晰分辨率。這種利用回波的二次等高次諧波成像的方法叫做諧波成像。組織諧波成像改善圖像質量的技術基礎為:1)近場處諧波能量很少，不易產生偽像。常規超聲圖像的大部分偽像來源于胸壁和腹壁的反射和散射，這些偽像含有極少的諧波頻率，因此近場偽像被消除:2)有利于消除旁瓣偽像。基波頻率能量和諧波頻率能量呈非線性關系，能量較高的基波產生相當大的諧波能量，而弱的基波幾乎不產生諧波頻率能量。因旁瓣能量比主波低得多，產生的二次諧波很低，不足以形成圖像，因此消除了旁瓣的干擾:3)諧波波長較短，可以提高軸向分辨力。頻帶較窄，提供較佳的側向分辨力。頻率比基波高I倍，所以其檢測低速血流速度的閾值為基波的1/2，即對低速血流的檢測更靈敏。
[0004]但是，諧波信號隨深度增加而增強，但得到一定程度以后又會逐漸衰減，所以在遠場，諧波信號變弱，相對電子噪聲增強。組織諧波信號強度隨深度而不同，隨深度增加逐漸產生諧波信號，所以中場信號較強，但深度加深到一定程度以后又會迅速衰減；而基波信號強度隨深度遞減且高于諧波信號。
[0005]可見，超聲基波圖像和諧波圖像各有優缺點。在臨床上單獨使用一種方式難以得到高質量圖像，兩者成像技術的結合具有必要性，也有可行性。
[0006]現有技術有將超聲基波圖像和造影諧波圖像融合。通過向靜脈中注入超聲造影劑來增強人體組織的回波能力，提高圖像的清晰度和對比度。利用相同頻率下采集的超聲造影基波和諧波圖像進行Curvele圖像融合的方法，增強諧波圖像中的組織邊緣。該方法首先對超聲造影基波和諧波圖像進行Curvelet變換，然后對于低頻和高頻洗漱分別采用不同的融合政策，獲得組織邊界和內部細節均清晰的超聲圖像，實現病灶區和組織邊界的定位。該技術不適合超聲基波與組織諧波成像融合。
[0007]另有技術提出基于歸一化協方差系數和紋理分析的方法，把對數壓縮后的超聲基波和組織諧波包絡結合，然后經過掃描轉換得到融合圖像。該方法通過滑動窗口，分別對組織諧波信號和基波信號紋理分析，求出基波和諧波信號的權值。然而由于諧波在近、中場區域成像已經完全可以滿足用戶診斷需求，無需選擇基波信號融合成像，且上述方法實現復雜O
【發明內容】
[0008]本發明的目的是在不引入其他方面缺點的同時解決諧波圖像遠場穿透力不強的問題，提供一種基于基波的融合諧波成像的超聲成像系統及方法，來改善超聲圖像的質量。將近場中場諧波信號和遠場基波信號相結合，克服了組織諧波遠場信號弱導致的信噪比低的問題。
[0009]本發明提供的一種超聲成像系統包括:換能器、發射波束模塊、波束接收模塊、加權融合處理模塊、圖像處理模塊，顯示器；所述換能器用于發射與接收超聲波；所述發射波束模塊與換能器相連，控制換能器發射脈沖波；所述波束接收模塊與換能器相連，對換能器發送而來的回波信號進行濾波、TGC增益補償和緩存，然后提取超聲基波信號和諧波信號傳輸至加權融合處理模塊；所述加權融合處理模塊與波束接收模塊相連，用于將超聲基波信號和諧波信號提取包絡信號后加權融合，再將融合后的信號傳輸至圖像處理模塊；所述圖像處理模塊與加權融合處理模塊相連，對加權融合處理模塊傳輸來的融合信號進行對數放大、細化處理及掃描變換，生成基波信號和諧波信號的融合圖像，傳輸至顯示器。
[0010]所述加權融合處理模塊將在時間域對齊的兩個連續發射脈沖的回波信號提取包絡信號，根據組織諧波信號和基波信號的分析，分別計算組織諧波信號Envelope?和基波信號 Envelopen的權值 WTHI，WFI，融合輸出 Envelopecpd= Wfi X EnvelopeFI+ffTHI X EnvelopeTHI，其中 WFI+WTHI= I。
[0011]加權融合處理模塊進行加權融合時，近場、中場取諧波信號，遠場取基波信號。諧波信號從所述波束接收模塊緩存的一個脈沖回波信號或多個脈沖回波信號的合成波中提取。
[0012]—種超聲成像方法如下:
[0013]I)波束接收和存儲:超聲換能器發射脈沖用于提取諧波信號和基波信號，脈沖回波信號經波束接收模塊濾波、增益補償處理后進行緩存；
[0014]2)匹配濾波:對脈沖回波信號進行匹配濾波，近場選擇高頻分量，遠場選擇低頻分量;
[0015]3)加權融合:將基波信號和諧波信號提取包絡信號后加權融合，將在時間域對齊的兩個連續發射脈沖的回波信號提取包絡信號，根據組織諧波信號和基波信號的分析，分別計算組織諧波信號Envelopentl和基波信號Envelope FI的權值W THI，WFI，融合輸出Envelopecpd= WFIXEnvelopeFI+WTHIXEnvelopeTHI，其中 Wfi+Wthi= I ；
[0016]4)生成圖像:融合信號最終通過對數放大、細化處理及掃描變換，生成基波和諧波的融合圖像。
[0017]具體的，所述諧波信號從步驟I緩存的一個脈沖回波信號或多個脈沖回波信號的合成波中提取。
[0018]加權融合時，近場、中場取諧波信號，遠場取基波信號，權值取值時做到使圖像在中場和遠場邊界處實現平滑過渡。
[0019]還可以通過合并連續的發射脈沖對來生成復合波束以增加幀速率:由當前諧波信號和當前基波信號合并而生成復合波束，或者從當前基波信號和之前的諧波信號的合并中生成復合波束。
[0020]選擇多發射脈沖波獲取基波信號和諧波信號時，超聲換能器發射的脈沖，在頻率、延遲、相位、持續時間、寬度或者振幅中至少有一種參數不同。
[0021]本發明的優點是:為了彌補諧波遠場穿透力弱的缺點，結合諧波信號分辨率好和基波信號穿透力強的優點，將遠場基波信號和近場、中場諧波信號相融合，從而提高圖像質量。同時，信號融合過程中，為了預防中場和遠場圖像邊界分明，采用諧波信號和基波信號平滑過渡。在提高近場分辨率的同時保證遠場的穿透力。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明的總體流程圖。
[0023]圖2是發射窄帶信號時基波與二次諧波頻帶特性示意圖
[0024]圖3是分區域融合成像示意圖。
[0025]圖4是諧波信號和基波信號融合示意圖。
[0026]圖5是本發明的系統結構示意圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明的技術方案做進一步說明。
[0028]如圖5所示，一種超聲成像系統包括:換能器10、發射波束模塊20、波束接收模塊30、濾波器模塊31、存儲模塊32、加權融合處理模塊40、圖像處理模塊50，顯示器60。
[0029]所述換能器10用于發射與接收超聲波。所述發射波束模塊20與換能器10相連，用于控制換能器10進行發射超聲波參數控制，比如超聲波的頻率、延遲、相位、持續時間、寬度或者振幅中的至少一個，發射波束模塊20通過上述參數控制換能器10發射脈沖波。換能器10可以是線陣探頭、相控陣探頭、凸陣探頭等常規探頭，發射脈沖波數量為可以根據需求進行設置。
[0030]所述波束接收模塊30與換能器10相互連接，其包括濾波器模塊31、存儲模塊32，用于對換能器10發送而來的回波信號進行濾波(濾波器模塊31)、TGC增益補償，再由存儲模塊32進行緩存，然后提取超聲基波信號和諧波信號傳輸至加權融合處理模塊40。
[0031]所述加權融合處理模塊40與波束接收模塊30相互連接，用于將超聲基波信號和組織諧波信號提取包絡信號后加權融合。加權融合時近場、中場取諧波信號，遠場取基波信號，如圖4所示，在平滑過渡區取諧波和基波按一定的權值比例疊加的復合信號。權值取值時做到使圖像在中場、遠場邊界處實現平滑過渡，避免圖像在視覺上的沖突。該平滑過渡區為中場、遠場分界點附近區域，信號由完全取值諧波值逐漸向遠基波值過渡，直到完全被基波值替代，其中，中場、遠場分界點由不同中心頻率換能器所對應的穿透深度來決定，加權融合處理模塊40將融合后的信號傳輸至圖像處理模塊50。
[0032]所述圖像處理模塊50，與加權融合處理模塊40相互連接，其對經過加權融合處理模塊傳輸來的融合信號進行對數放大、細化處理及掃描變換，生成基波信號和諧波信號的融合圖像，圖像處理模塊50將融合圖像傳輸至與圖像處理模塊相互連接的顯示器60。這樣使傳統的諧波遠程圖像質量得到提高。
[0033]如圖1所示，本發明所述的超聲成像方法包括如下步驟:
[0034]I)波束接收和存儲。
[0035]發射波束模塊20控制換能器10發射具有不同頻率、延遲、相位、持續時間、寬度或者振幅中至少一種不同參數的脈沖波用于提取諧波幀信號和基波幀信號。
[0036]在一個實施中，選擇一個發射脈沖從脈沖回波中獲取基波信號和諧波信號舉例說明，換能器10發射以f。為中心頻率脈沖信號，且頻帶控制比較窄時，由此會產生二次諧波和基波處于各自的頻帶上，如圖1所示。脈沖回波信號經波束接收模塊30通過濾波器模塊31濾波、TGC增益補償后由存儲模塊32進行緩存。其濾波器模塊31可以包括低通濾波器、高通濾波器、動態濾波器，如圖2所示，其中利用低通濾波器可以濾除諧波信號獲取基波頻率信號，利用高通濾波器可以濾除基波信號而獲取諧波頻率信號。
[0037]在另一個實施中，選擇多發射脈沖波獲取基波信號和諧波信號來舉例說明。脈沖回波信號經波束接收模塊30通過濾波器31、TGC增益補償后由存儲模塊32進行緩存，然后根據諧波信號獲取需求進行合成處理，多脈沖的合成有利于去除脈沖中不需要的高次諧波信號。在合成之前可以選擇性地實施信號對齊和匹配來改善圖像質量，施加適當的延遲和幅度調整來生成聲束。最終分別輸出兩路信號，分別為提取諧波信號所需的合成波，和獲取基波信號所需的第一脈沖。
[0038]2)匹配濾波。
[0039]諧波信號或基波信號攜帶了掃描線上的組織情況，需要對回波信號經過濾波器31進行匹配濾波，用來提高回波的信噪比，即動態濾波。由于信號強度較大，本實施中將圖像的分辨率放在首位，濾波器模塊31中動態濾波器的中心頻率可適當向高頻選取。對于遠場回波信號來說，信號由于在介質中的衰減，回波信號中的有用的能量很小，這時除了需要考慮圖像的分辨率外，還要關注的應該為圖像的靈敏度。為了使圖像靈敏度最佳，這樣就要求動態濾波器的中心頻率與遠場回波信號的中心頻率相匹配。同時為了提高圖像分辨率，還要盡量提高接收的中心頻率。
[0040]隨著探測深度的增加，高頻分量衰減嚴重，為了達到良好的分辨率，近場選擇高頻分量，遠場選擇低頻分量。動態濾波器匹配濾波可以將攜帶有病理信息的頻率分量濾除，并濾除近場的低頻噪聲信號和遠場的高頻噪聲，從而提高近場分辨率和遠場信噪比。
[0041]該發明一實施例中，動態濾波器采用32階FIR濾波器實現，動態濾波器參數通過Matlab生成濾波系數。在時間控制下，將動態濾波器濾波系數動態載入達到動態濾波的目的，將探測深度分為若干段，對每一段進行濾波系數改變。
[0042]3)加權融合。
[0043]加權融合處理模塊40將存儲模塊32中的超聲基波信號和諧波信號提取包絡信號后進行加權融合。權融合處理模塊40將在時間域內對齊的兩個連續發射脈沖的回波信號提取包絡信號，根據加權融合處理模塊40對組織諧波信號和基波信號分析，分別計算組織諧波信號EnvelopeTHI和基波信號Envelope FI的權值W
THI，Wfi， 融合輸出Envelopecpd=WFIXEnvelopeFI+WTHIXEnvelopeTHI，其中Wfi+Wthi= I。該加權融合的特征在于近場、中場取諧波信號，遠場取基波信號，如圖3所示，在平滑過渡區取諧波信號和基波信號按一定的權值比例疊加的復合信號，權值取值時做到使圖像在中場、遠場邊界處實現平滑過渡，避免圖像在視覺上的沖突。該平滑過渡區為中場、遠場分界點附近區域，信號由完全取值諧波值逐漸向遠基波值過渡，直到完全被基波值替代。其中，不同中心頻率參數的換能器所對應的穿透深度不同，使得中場遠場分界點也不同，根據不同換能器10種類進行分界點的設定。
[0044]以上實施例中諧波信號的獲取是通過連續發射多次脈沖來實現的，幀速率會有一定的影響。可以通過合并連續的發射脈沖對來生成復合波束以增加幀速率。舉例說明，可以由當前諧波信號和當前基波信號合并而生成的復合波束，還可以從當前基波信號和之前的諧波信號的合并中生成又一復合波束。
[0045]如圖4所示，第一諧波信號近中場信號與第一基波遠場信號疊加成融合信號1，第二諧波信號近中場信號與第二基波遠場信號疊加成融合信號2，由于基波信號由兩個脈沖中的第一脈沖產生，因此中間融合信號通過其中第一諧波信號與第二基波信號疊加成融合信號12，依次類推。這樣，最終圖像幀頻會得到改善。
[0046]4)生成圖像。
[0047]圖像處理模塊50對由加權融合處理模塊40獲得的融合信號最終通過對數放大、細化處理及掃描變換，生成基波和諧波的融合圖像，使傳統的諧波遠場圖像質量提高。
[0048]圖像處理模塊50將生成的融合圖像傳輸至顯示器60，操作人員可以在顯示器60上直接操作用來傳輸指令，例如觸摸屏顯示器，還可以通過常規的指令輸入方式，如鍵盤、聲控輸入等來進行指令輸入，用來控制各個模塊參數的控制。
【主權項】
1.一種超聲成像系統，其特征在于，包括:換能器(10)、發射波束模塊(20)、波束接收模塊(30)、加權融合處理模塊(40)、圖像處理模塊(50)，顯示器(60); 所述換能器(10)用于發射與接收超聲波；所述發射波束模塊(20)與換能器(10)相連，控制換能器(10)發射脈沖波； 所述波束接收模塊(30)與換能器(10)相連，對換能器(10)發送而來的回波信號進行濾波、TGC增益補償和緩存，然后提取超聲基波信號和諧波信號傳輸至加權融合處理模塊(40); 所述加權融合處理模塊(40)與波束接收模塊(30)相連，用于將超聲基波信號和諧波信號提取包絡信號后加權融合，再將融合后的信號傳輸至圖像處理模塊(50); 所述圖像處理模塊(50)與加權融合處理模塊(40)相連，對加權融合處理模塊(40)傳輸來的融合信號進行對數放大、細化處理及掃描變換，生成基波信號和諧波信號的融合圖像，傳輸至顯示器(60)。2.如權利要求1所述的超聲成像系統，其特征在于，所述加權融合處理模塊(40)將在時間域對齊的兩個連續發射脈沖的回波信號提取包絡信號，根據組織諧波信號和基波信號的分析，分別計算組織諧波信號Envelopentl和基波信號Envelope FI的權值W THI，Wfi，融合輸出 Envelopecpd= W FI XEnvelopeFI+WTHI XEnvelopeTHI，其中 WFI+WTHI= I。3.如權利要求1，2所述的超聲成像系統，其特征在于，所述加權融合處理模塊(40)進行加權融合時，近場、中場取諧波信號，遠場取基波信號。4.如權利要求1所述的超聲成像系統，其特征在于，諧波信號從所述波束接收模塊(30)緩存的一個脈沖回波信號或多個脈沖回波信號的合成波中提取。5.一種超聲成像方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)波束接收和存儲:超聲換能器發射脈沖用于提取諧波信號和基波信號，脈沖回波信號經波束接收模塊濾波、增益補償處理后進行緩存； 2)匹配濾波:對脈沖回波信號進行匹配濾波，近場選擇高頻分量，遠場選擇低頻分量； 3)加權融合:將基波信號和諧波信號提取包絡信號后加權融合，將在時間域對齊的兩個連續發射脈沖的回波信號提取包絡信號，根據組織諧波信號和基波信號的分析，分別計算組織諧波信號EnvelopeTHI和基波信號Envelope FI的權值W THI，Wfi，融合輸出Envelopecpd=WfiXEnvelopeFI+WTHIXEnvelope.，其中 ffFI+ffTHI= I ； 4)生成圖像:融合信號最終通過對數放大、細化處理及掃描變換，生成基波和諧波的融合圖像。6.如權利要求5所述的超聲成像方法，其特征在于，所述諧波信號從步驟I緩存的一個脈沖回波信號或多個脈沖回波信號的合成波中提取。7.如權利要求5所述的超聲成像方法，其特征在于，加權融合時，近場、中場取諧波信號，遠場取基波信號，權值取值時做到使圖像在中場和遠場邊界處實現平滑過渡。8.如權利要求5所述的超聲成像方法，其特征在于，通過合并連續的發射脈沖對來生成復合波束以增加幀速率:由當前諧波信號和當前基波信號合并而生成復合波束，或者從當前基波信號和之前的諧波信號的合并中生成復合波束。9.如權利要求5所述的超聲成像方法，其特征在于，超聲換能器發射的脈沖，在頻率、延遲、相位、持續時間、寬度或者振幅中至少有一種參數不同。
【文檔編號】A61B8/00GK105982695SQ201510057037
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月3日
【發明人】王鋐, 張勇, 楊成, 朱銀鳳
【申請人】無錫祥生醫學影像有限責任公司