相變換超聲成像的系統和方法

專利名稱：相變換超聲成像的系統和方法
技術領域：
本發明涉及一種超聲成像，特別是涉及能改進和增強超聲圖像的方法和裝置。
典型情況下，一個傳播到研究媒質中的超聲波信號由特定波形的正弦波脈沖組成。這些正弦波通過換能器后形成入射信號。典型入射信號的范圍為40kHz到50MHz，但常用的范圍是40kHz到1MHz。當入射信號與組織層和層間邊界作用時，超聲信號由于散射、共振、衰減、反射或透射而改變。
研究媒質通常是非線性性質的媒質，例如人體組織。非線性媒質在回波信號中產生諧波頻率。這些附加的頻率部分會繼續，并產生反射或與其它結構相互作用。反射(或回波)信號的一部分會傳回到接收換能器中。
返回到接收換能器中的基波和諧波頻率信號包括全部信號，必須對這些信號進行進一步處理，以消除噪聲和無關部分。接收換能器可以是發射換能器，也可以是完全獨立的裝置。當使用同一個裝置時，需要使用發射/接收(T/R)開關把換能器連接到發射設備或接收后期處理設備上。接收換能器接收回波信號和產生的所有噪聲，并把這些信號轉給后期處理設備的一部分(稱為波束生成器)。波束生成器用以消除噪聲信號，它可以是自適應的，也可以是固定配置的。自適應波束生成器通過監視噪聲場和調整內部參數來消除各種方向的噪聲源，盡可能降低背景噪聲。固定波束生成器可以消除無向性噪聲，并且能利用反射信號的方向性。
最終，人體的超聲波圖像會以諧波圖像的方式顯示出來。諧波成像的產生與組織邊界的可視程度和不同媒質的密度有關，也與應用于特定諧波頻率的造影劑有關。造影劑通常是充有液體的微型顆粒，它在超聲頻率下產生共振。這種造影劑被注入人體后隨血液傳播到身體的各個部分。當它被超聲頻率激發時，由于其內部產生諧振，會生成諧波回聲定位信號。
雖然超聲波成像方法與其它類型的診斷技術相比有不少優點，但是傳統的超聲波方法和系統無法有效地解決背景噪聲問題，因而很難確定要研究區域的精確位置，也無法正確分析接收到的信號。為此，人們試圖采用各種疊加方法來減少背景噪聲，但是，到目前為止還沒有某種疊加方法能夠有效地定位密度相似的不同組織之間的要研究區域(從密度相似的不同組織產生的回波信號會混成一團，其間的界面非常模糊，在這種情況下疊加方法不起作用)。而且，由于人體內的多種組織在密度上基本相似，所以更加為解釋超聲波結果增加了難度。因此，需要開發某種方法和系統來有效地解決上述的問題，同時不能降低超聲波成像系統的總體優點。
本發明基于一種觀察事實即多種媒質以非線性方式散射聲音。在針對線性散射媒質的超聲波成像系統中，返回信號與入射信號之間有一定的時移，且返回信號的強度(振幅)與入射信號的強度成正比。非線性散射媒質產生的信號無法由對散射點的入射信號進行簡單的時移、縮放或疊加產生。從非線性媒質的邊界反射的超聲波的相位的改變方式取決于入射信號的相位。例如，請考慮下面的兩個超聲波脈沖(k＝2)的特殊情況，其中兩個聲音脈沖的相差為360°/k＝360°/2或180°。如果散射點是純線性的，那么從每個入射脈沖接收到的反射信號的相位是互為相反的。對這些反相信號進行疊加，其和為0。但是如果有從媒質內的非線性過程產生的信號，那么這些信號不是互為相反的，其和也不等于0。
我們可以利用這種非線性特性來構造一個系統，從而觀察給定媒質內的非線性區域。例如，在本發明的一個實施例中，三個不同的入射信號集合形成一個圖像區，這三組信號之間的相差為120°。由這三個(k＝3)激勵脈沖集合所產生的線性反射會相互抵消，而第k個序列諧波的非線性部分無法抵消。利用這種脈沖抵消可以產生原始接收數據的一個疊加集合F(n，t)，還可以產生原始接收數據的一個三維疊加集合F(n，m，t)，其中的m是從二維矩陣或n×m換能器矩陣產生的元素。數據的函數性取決于頻道(或換能器)的數量和時間。這種疊加數據的單個集合可用于重新構造一個圖像區。重構的圖像區代表從媒質內的散射點產生的第三個諧波(或第K個)所生成的信息。
圖4A顯示了接收器和原始數據疊加器單元的一個實施例；圖4B顯示了接收器和原始數據疊加器單元的另一個實施例；圖5顯示了數據處理單元的一個實施例。


圖1是利用本發明實現的一個超聲波成像系統的原理框圖。其中的成像系統100由一個或多個信號發生器單元110、一個或多個信號發射器單元120、需成像的研究媒質130、一個或多個用于捕捉從研究媒質130返回的信號的接收器和原始數據疊加器單元120、以及一個用于對已疊加的接收信號進行處理并在圖像顯示單元160上形成圖像的數據處理單元150構成。
信號產生器單元110驅動信號發射器單元120的電路。信號發射器單元在圖3中顯示并做進一步描述。
信號發射器單元120把具有超聲波能量的脈沖集合射入研究媒質130中。從研究媒質130接收到的回波信號被存儲在接收器和原始數據疊加器單元140中。從信號發生器單元110產生的后續失相信號通過信號發射器單元120，被轉化為傳送到研究媒質130中的超聲波脈沖集合。研究媒質130使超聲波脈沖集合發生變化。這種變化后的超聲波脈沖集合由接收器和原始數據疊加器單元140接收和疊加。這些接收到的脈沖集合的數據被疊加為一個數據集，它是頻道數n和時間t的函數。疊加數據集由數據處理單元150處理，并顯示在圖像顯示單元160上。
圖2顯示了可能被改變的多個波形中的一個。該圖中顯示的例子說明了信號發生器單元110如何調制產生的信號。例如，一種常用的調制方法是改變未受影響的輸入信號的振幅、頻率或脈沖寬度中的一個或多個參數。對于給定的脈沖集合，還可以對調制后的信號改變相位。為了實現調制，可以使用正弦波的包絡(線)函數A(n，t)，其公式為 ，最終的波形為A(n，t) 。在這種波形表達方式中，n是換能器的元素號，i是給定的脈沖指數(例如，如果利用第二個諧波，即k＝2，那么i＝1，2)。給定脈沖集合中的不同脈沖序列的相位是不同的，由θi符號表示。
為了說明相變的概念，我們來看一個k為3的例子。在本例中，脈沖集合中的脈沖之間相位差是360°/k＝360°/3＝120°。第一個脈沖的相位為水平方向，即其相位角為0°；第二個脈沖的相位角為120°(即與第一個脈沖的相位角相差120°)；第三個脈沖的相位角為240°(即與第一個脈沖的相位角相差240°)。在發出第一個脈沖并收到回波后，發出第二個脈沖并收到回波，如此按順序進行，同時捕捉所有信息。在這種情況下，基頻回波可以合并后抵消，只剩下諧波產生的回波。從前述內容可以知道，諧波回波是由非線性媒質產生的。
在本例中，我們還可以使用高斯波形的包絡線函數A(n，t)。發射的信號還可以調制為線性調頻信號(即掃頻調制，其傅利葉變換仍以基頻為中心，其離散性更寬)。我們還可以使用數字波形產生器來代替圖2所示的卷積方法。
圖3顯示了在信號射入到研究媒質之前的信號發射單元120的一個實施例。信號發射器單元120包括一個或多個功率放大器330，一個發射/接收開關340、以及第一換能器350。信號發射器單元120還可以配有一個延遲電路310。延遲電路310可以采用模擬延遲或數字延遲。信號發射器單元120還可以配有一個頻道增益單元320來驅動功率放大器330，使其根據頻道數和時間變化。另外，信號或脈沖可以是脈沖寬度調制的(圖中沒有示出)，以實現節能。在使用電池供電的系統中，節能可能是很關鍵的。
圖4A顯示的是接收器和原始數據疊加器單元140的一個實施例。第二個換能器410接收由研究媒質130所更改的脈沖集合。它把接收到的脈沖集合從超聲能量轉化為電信號。可以使用第二個發射/接受開關420來把轉化后的電信號耦合到相應的電路中。在一個實施例中，第二個換能器410和第二個發射/接收開關420可以與圖3中的第一個換能器350和第一個發射/接收開關340相同或為等價的裝置。在系統中還可以增加第二個功率放大器430，并由增益控制單元440控制，使其按時間變化。功率放大器430的輸出向可選帶通濾波器450發送放大的信號。帶通濾波器450可以與其它裝置一起使用來減少或消除無關的噪聲信號。圖4A和4B中雖然顯示的是不同的實施例，但具有相同的布局，并且包含有帶通濾波器450。
圖4A中實施例的電信號被耦合到第一個模擬/數字(A/D)轉換器460中，并且還可以進入一個可選的同相/積分(I/Q)混頻器470中，該混頻器產生單邊帶信號，并把信號送到可選的第一基帶濾波器480和疊加器490中。可選的第一基帶濾波器的作用是減少或濾掉由原始脈沖集合接收的信號的基頻部分，剩下諧波信號。疊加器的一個作用是按點產生所接收的電信號的算術平均值。從數學的角度看，這種算術平均值可以表示為F(n,t)=Σi=1kRi(n,t)k]]>，其中接收到的信號Ri是傳播循環的所有元素之和，該循環是頻道數和時間的函數，它與原始入射脈沖相關。信號路徑中的所有其它成分都是很基本的，本領域的人員對它們都很熟悉。
圖4B顯示的是接收器和原始數據疊加器單元的另一個實施例。從前述內容我們可以知道，圖4A和圖4B中的實施例采用了相同的布局，并且帶有可選的帶通濾波器450。從帶通濾波器450的角度來看，圖4B中實施例的信號進一步被耦合到模擬混頻器455、可選的第二個基帶濾波器465、第二個模擬/數字(A/D)轉換器475和疊加器490中。
圖5顯示的是數據處理單元150的一個實施例。從圖中我們可以看到，數據處理單元150接收從接收器和原始數據疊加器單元140發來的疊加數據。疊加后的數據作為數據處理單元150的輸入，由I/Q原始數據矩陣510接收，該矩陣把疊加后的數據存儲在M×N維數組中。其中的M是取樣的數量(通常為1到10,000之間)，而N是元素數量的2倍(包括同相和積分)。這些疊加后的數據被送到數字信號處理器(DSP)520中。該處理器把原始數據重構為一個聲音圖像區。重構公式的形式可以為 。在此公式中，αi代表孔徑函數，r為在給定角度φ下與換能器中心的徑向距離，函數F是接收的原始數據的疊加值集合。數字信號處理器520的功能有多種實現方式。例如，在本發明的另一實施例中，采用一種特定用途集成電路(ASIC)作為數字信號處理器520。這些轉換后的數據(以極坐標方式表示)被存儲到J×K矩陣的聲音圖像數據緩存區530中。其中的J是范圍取樣的數量，K是角度取樣的數量。此時，數據還只是給定角度φ下與換能器的距離r的函數。這些也可以在直角坐標系中實現。聲音圖像數據緩存區530存儲數據，等待掃描轉換器540調用這些數據。r-φ掃描轉換器540把I(r，φ)圖像數據轉換和重構為以直角坐標數據I(x，y)表示的圖像數據。r-φ掃描轉換器是我們所熟知的，它的作用是通過坐標轉換的方式把二維數據從極坐標轉換為直角坐標形式。其公式為x＝rcos(φ)和y＝rsin(φ)。
從數據處理單元150的輸出產生圖像數據I(x，y)，該數據與超聲能量脈沖集合的照射區相對應。這些轉換后的I(x，y)數據可以在圖像顯示單元160上顯示出來。圖像顯示單元160可以是任何可視的顯示設備，包括但不局限于計算機監視器、平面或液晶顯示器、陰極射線管(CRT)等等。
從上述過程和裝置的實施例中，我們可以非常容易地根據本發明實現多種變化。例如可以很容易地實現一個能夠顯示全3維(3D)圖像的系統。這種3維系統可以采用全息術或其它方法實現。很明顯地，這些經變化后產生的系統都應屬于本發明的概念范圍之內。
權利要求
1.一種用于超聲成像的系統，其特征是，該系統包括一個信號發生器單元，用于產生至少兩種失相脈沖；一個與上述信號發生器單元耦合的信號發射器單元，用于把上述至少兩種失相脈沖射入到研究媒質中；一個接收器和原始數據疊加器單元，用于接收由研究媒質所改變的上述至少兩種失相脈沖；一個與上述接收器和原始數據疊加器單元耦合的數據處理單元。
2.如權利要求1中的系統，其特征是，該信號發生器單元是一種數字波形產生器。
3.如權利要求1中的系統，其特征是，該信號發生器單元可以調制至少兩種失相正弦波的振幅，從而產生上述的至少兩種失相脈沖。
4.如權利要求1中的系統，其特征是，該信號發生器單元可以調制至少兩種失相正弦波的頻率，從而產生上述的至少兩種失相脈沖。
5.如權利要求1中的系統，其特征是，該信號發生器單元可以調制至少兩種失相正弦波的脈沖寬度，從而產生上述的至少兩種失相脈沖。
6.如權利要求1中的系統，其特征是，該信號發生器單元可以使用包絡線函數來卷積至少兩種失相正弦波，從而產生上述的至少兩種失相脈沖。
7.如權利要求6中的系統，其特征是，該包絡線函數是一個高斯波形。
8.如權利要求6中的系統，其特征是，該包絡線函數是一個線性調頻波形。
9.如權利要求6中的系統，其特征是，至少兩種失相正弦波被調制為產生線性調頻高斯脈沖寬度調制的波形。
10.如權利要求1中的系統，其特征是，該信號發射器單元包含一個功率放大器、一個發射/接收開關和一個換能器。
11.如權利要求10中的系統，其特征是，該系統還帶有一個數字延遲電路。
12.如權利要求10中的系統，其特征是，該系統還帶有一個模擬延遲電路。
13.如權利要求10中的系統，其特征是，該系統還帶有一個頻道增益電路。
14.如權利要求1中的系統，其特征是，該至少兩種失相脈沖由上述的信號發射器單元交替發射，以產生一個脈沖集合。
15.如權利要求1中的系統，其特征是，該接收器和原始數據疊加器單元包括一個換能器、一個發射/接收開關、一個模擬/數字(A/D)轉換器和一個疊加器。
16.如權利要求15中的系統，其特征是，該接收器和原始數據疊加器單元還帶有一個功率放大器、一個帶通濾波器和一個基帶濾波器。
17.如權利要求15中的系統，其特征是，該接收器和原始數據疊加器單元還帶有一個同相和積分混頻器。
18.如權利要求1中的系統，其特征是，該信號發生器單元和接收器/原始數據疊加器單元共用一個換能器。
19.如權利要求1中的系統，其特征是，該數據處理單元包括一個同相和積分混頻器、一個數字信號處理器、一個聲音圖像數據緩存器和一個掃描轉換器。
20.如權利要求1中的系統，其特征是，該數據處理單元包括一個同相和積分混頻器、一個特定用途集成電路(ASIC)、一個聲音圖像數據緩存區和一個掃描轉換器。
21.如權利要求1中的系統，其特征是，該系統還帶有一個與上述數據處理單元耦合的圖像顯示單元。
22.如權利要求21中的系統，其特征是，該圖像顯示單元是一種計算機監視器。
23.如權利要求21中的系統，其特征是，該圖像顯示單元是一種平面顯示器。
24.如權利要求21中的系統，其特征是，該圖像顯示單元是一種液晶顯示器。
25.一種用于處理超聲圖像的方法，其特征是，包括產生至少兩種失相脈沖；把上述至少兩種失相脈沖轉化為至少兩種失相聲音脈沖；把上述至少兩種失相聲音脈沖射入到研究媒質中；接收從上述研究媒質中返回的至少兩種被改變的聲音脈沖，并對它們進行疊加處理；從上述至少兩種被改變的聲音脈沖構造圖像數據。
26.如權利要求25中的方法，其特征是，至少兩種失相脈沖的振幅被調制。
27.如權利要求25中的方法，其特征是，至少兩種失相脈沖的頻率被調制。
28.如權利要求25中的方法，其特征是，至少兩種失相脈沖的脈沖寬度被調制。
29.如權利要求25中的方法，其特征是，至少兩種失相脈沖被包絡線函數卷積，以產生上述的至少兩種失相脈沖。
30.如權利要求29中的方法，其特征是，包絡線函數是一個高斯波形。
31.如權利要求29中的方法，其特征是，包絡線函數是一個線性調頻波形。
32.如權利要求25中的方法，其特征是，至少兩種失相脈沖的相位之間相差為360°/k，其中k為上述至少兩種失相脈沖的數量。
33.如權利要求25中的方法，其特征是，對上述改變后的聲音脈沖進行疊加的方法是對作為頻道數和時間的函數的傳播過程的所有元素進行逐點數學疊加運算，從而與上述至少兩種聲音失相脈沖相關聯。
34.一種用于超聲成像的系統，其特征是，包括一個信號發生器單元，用于產生至少兩種失相脈沖；該信號發生器單元可以使用包絡線函數調制至少兩種正弦波，以產生調制后的至少兩種失相脈沖；上述信號發生器單元還可以把上述至少兩種失相脈沖轉化為至少兩種失相聲音脈沖；與上述信號發生器單元耦合的一個信號發射器單元，用于把上述至少兩種失相聲音脈沖射入到研究媒質中；一個接收器和原始數據疊加器單元，用于接受由研究媒質所改變的上述至少兩種失相聲音脈沖；從上述至少兩種經改變的聲音脈沖所產生的數據被疊加后存儲在作為頻道數和時間的函數的數據集合中。一個與上述接收器和原始數據疊加單元耦合的數據處理單元；該數據處理單元使用上述經改變的聲音脈沖構造圖形數據，從該數據處理單元輸出的數據被耦合到一個圖像顯示單元中。
35.如權利要求34中的系統，其特征是，該信號發射單元包含一個功率放大器、一個發射/接收開關和一個換能器。
36.如權利要求35中的系統，其特征是，該系統還帶有一個數字延遲電路。
37.如權利要求35中的系統，其特征是，該系統還帶有一個模擬延遲電路。
38.如權利要求35中的系統，其特征是，該系統還帶有一個頻道增益電路。
39.如權利要求34中的系統，其特征是，該接收器和原始數據疊加器單元包括一個換能器、一個發射/接收開關、一個模擬/數字(A/D)轉換器和一個疊加器。
40.如權利要求39中的系統，其特征是，該接收器和原始數據疊加器單元還帶有一個功率放大器、一個帶通濾波器和一個基帶濾波器。
41.如權利要求39中的系統，其特征是，該接收器和原始數據疊加器單元還帶有一個同相和積分混頻器。
42.如權利要求34中的系統，其特征是，該信號發生器單元和接收器/原始數據疊加器單元共用一個換能器。
43.如權利要求34中的系統，其特征是，該數據處理單元包括一個同相和積分混頻器、一個數字信號處理器、一個聲音圖像數據緩存器和一個掃描轉換器。
44.如權利要求34中的系統，其特征是，該數據處理單元包括一個同相和積分混頻器、一個特定用途集成電路(ASIC)、一個聲音圖像數據緩存區和一個掃描轉換器。
45.一種用于實現超聲成像的方法，其特征是，包括產生至少兩種失相脈沖；把上述至少兩種失相脈沖轉化為至少兩種失相聲音脈沖；把上述至少兩種失相聲音脈沖射入到研究媒質中；接收從上述研究媒質中返回的至少兩種被改變的聲音脈沖；對從上述研究媒質中返回的至少兩種聲音脈沖(為頻道數和時間的函數)進行疊加處理；從上述至少兩種返回的聲音脈沖構造圖像數據，并且把圖像數據顯示在一個圖像顯示單元上。
全文摘要
一種利用具有不同振幅、頻率、相位和/或脈沖寬度的多個入射脈沖集合來實現超聲波成像的系統和方法。在一個實施例中,k個入射脈沖之間的相位差為360/k,為第k個序列諧波脈沖提供結構干涉條件。不同入射脈沖集合之間的振幅調制是恒定的。這些脈沖集合被射入研究媒質中,并且接收由媒質改變后的回波信號,然后把這些回波信號進行疊加,產生疊加信號。疊加后的脈沖代表從每種傳播脈沖集合所接收的凈共模信號。以寬束重構方法為基礎,可以利用這種合并后的信號集合重構超聲波圖像。
文檔編號G01S7/52GK1389178SQ02122020
公開日2003年1月8日 申請日期2002年5月31日 優先權日2001年5月31日
發明者格蘭·麥克勞琳, 冀婷蘭 申請人:諾華索尼克斯有限公司