利用自然解碼的編碼激勵進行組織諧波成像的方法和裝置的制作方法

專利名稱：利用自然解碼的編碼激勵進行組織諧波成像的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及一種使用超聲波機器的成像。具體地講，本發明涉及一種使用超聲波機器的組織諧波成像。
背景技術：
組織諧波成像是一種在超聲波機器中使用的公知成像方法。此類成像始于基于人們感覺到需要改善聲對比劑(acoustic contrast agents)的效力，其中反向散射信號具有豐富的諧波。在引入到醫療實踐中后，明顯地不用引入對比也能夠獲得圖像，并且這些圖像證明在圖像清晰度上有提高。因此，組織諧波成像借此被確立為一種成像模式。先前，在生成組織諧波成像時一般使用兩種方法，這些方法包括單次觸發(firing)帶通濾波和多次觸發脈沖/相位反轉。
在公知的單次觸發方法中，通過對接收信號應用帶通濾波器來提取諧波分量。然而，使用帶通濾波可能限制帶寬。例如，必須限制發射信號和帶通濾波器的帶寬，以分離基波譜和諧波帶。必須選擇濾波器截止區，表示諧波信號損失和基波譜污染之間的平衡。探頭帶寬的限制將迫使人們使用變窄的發射基波帶。窄帶寬可能需要延長發射脈沖和濾波器脈沖響應，這繼而可能導致軸向分辨率(axial resolution)的下降。
使用1998年1月13日出版的美國專利第5,706,819號中公開的脈沖(相位)反轉，已極大地克服了公知的單次觸發帶通濾波的局限性。已知的反相方法使用兩個或更多個連續脈沖，該兩個或更多個連續脈沖沿相同的路徑但具有相反的極性。從這些觸發產生的反向散射信號的相干和消除了奇次諧波(包括基波)同時保留了用于形成圖像的偶次諧波(包括二次諧波)。反相成像允許寬帶脈沖，從而保持了諧波成像的空間分辨率。然而，對于規則脈沖來說，寬帶意味著短的脈沖長度，這繼而導致穿透力的損失，尤其是在諧波成像中，二次諧波信號比基波信號大約小20dB。另外，在反相的情況下，對于沿相同波束路徑的兩次或多次觸發的需求降低了幀頻。
以下這樣做是有利的具有與脈沖反轉諧波成像相關聯的分辨率，同時保持與單次觸發諧波成像相關聯的幀頻、穿透力和信噪比(還被稱為“SNR”)。然而，可以預期幾個主要的困難。首先，獲得足夠的穿透力和改善的SNR同時保持良好的分辨率總是困難的。對于基波成像，已經采用了具有高的時間帶寬乘積的頻率調制信號(例如線性調頻脈沖(chirp))。這種方法在適當解碼以避免顯著的距離波瓣(range lobe)并保持良好的軸向分辨率之后，利用與常規脈沖相同的帶寬，可能導致更高的穿透力和改善的SNR。在2001年4月10日出版的美國專利第6,213,947B1號中，公開了使用被設計取得最高SNR的匹配濾波器用于頻率/“非線性相位”調制編碼激勵。解碼濾波器可被用于具有非常高的采樣頻率的RF信號，或者使用復濾波系數解調的RF信號。在這兩種情況下，解碼濾波器非常巨大并且昂貴。成本問題阻止了當前大部分超聲器材公司實施頻率/非線性相位調制編碼激勵，即使是在其最高級的超聲波機器中。即使成本可以接受，具有匹配設計的解碼濾波器也可能大部分時間不能如預期地工作，尤其對于諧波成像。這是因為以下事實在諧波成像中，解壓縮變得更困難，這是因為與基波相比，作為時間的函數，相位變化快了兩倍，并且一般通過不同組織生成組織諧波的復雜性大大降低了匹配壓縮濾波的有效性，而匹配壓縮濾波總是基于理想情況而設計。結果，距離旁瓣電平可能非常高，這對于超聲波成像的實際應用沒有意義。對于解碼，目的在于通過犧牲一些SNR來降低距離旁瓣電平的失配濾波器(與T.X.Misaridis和J.A.Jensen在論文”An Effective Coded Excitation Scheme Based onA Predistorted FM Signal And An Optimized Digital Filter”中公開的類似)可能有所幫助。
諧波成像中的另一個困難在于近場諧波性能。因為在傳播過程中逐漸生成組織諧波信號，所以由于微泡(micro bubble)的局部非線性，組織中的諧波信號不同。因此，對于非常近的場(例如小于大約2cm)，就不能在組織中生成足夠的諧波分量。一般地講，這造成了模糊圖像特性，其中尤其在甚高頻情況下，由于過量增益的小二次諧波信號的飽和或者由于基波信號的泄露，細線可能呈現為粗塊。這種現象嚴重限制了利用高頻探頭在諸如小部分的近場結構和表面結構中應用諧波。
第三個困難在于幀頻。反相技術一般犧牲幀頻，這是因為每個波束位置需要多次觸發。有幾項專利公開了幀頻提高技術，例如2002年8月20日出版的美國專利6,436,046B1和2000年5月23日出版的美國專利6,066,099。這些專利文件包括例如多線獲取(多個接收波束與發射波束之一相關聯)、反相矢量的空間相鄰傳輸以及同時多線傳輸。
因此，需要以克服以上困難的方式提供整個視野內的高質量諧波成像能力。

發明內容
本發明的一種實施方式關于使用超聲波機器的組織諧波成像。本發明的至少一種實施方式使用時間帶寬乘積大于1的寬帶(大于約80％的BW)編碼激勵發射信號進行諧波成像。至少一種實施方式采用脈沖反轉以去除基波信號，并且進一步采用多線獲取、空間相位交替以及多線發射方法中的至少一種(或者這些方法中兩個或更多的結合)，以避免如先前所提供的由于兩次觸發而引起的幀頻下降。寬帶發射信號提高了甚近場中的諧波成像性能，同時與使用規則脈沖(時間帶寬乘積＝1)的普通脈沖反轉方法相比，增加了穿透力和SNR。通過編碼脈沖在組織內的傳播以及脈沖反轉，自然實現接收信號的解碼。
可以預期，與單次觸發帶通濾波諧波成像方法相比，本發明的實施方式能夠大大提高圖像分辨率，同時保持與單次觸發諧波成像相同甚至更好的穿透力和SNR，其遠遠超出了規則脈沖反轉諧波成像的穿透力。
還可以預期，本發明的實施方式采用多線獲取、空間相位交替以及多線發射方法中的一個或多個(或者這些方法中兩個或更多的結合)。結果，與單次觸發帶通濾波諧波成像相比，不需要犧牲幀頻來得到高很多的分辨率。
本發明的一種實施方式關于一種進行諧波成像的方法，不使用匹配解碼和壓縮濾波器。該實施方式的方法包括發射具有大于大約1的時間帶寬乘積的編碼脈沖和所述編碼脈沖的反相型式；以及接收所述編碼脈沖的至少一個反向散射回波和所述編碼脈沖的反相型式的至少一個反向散射回波。至少對所述編碼脈沖的反向散射回波和所述編碼脈沖的反相型式的反向散射回波進行相干求和。
本發明的另一種實施方式關于一種進行諧波成像的方法，使用超聲波機器而不使用匹配解碼和壓縮濾波器。該實施方式的方法包括沿發射波束路徑發射具有大于大約1的時間帶寬乘積的至少一個編碼脈沖；以及沿發射波束路徑的相對側，接收發射的編碼脈沖的至少兩個反向散射回波。該方法進一步包括形成所述至少一個編碼脈沖的至少一個反相型式；發射所述至少一個編碼脈沖的至少一個反相型式；以及沿發射波束路徑的相對側，接收所述編碼脈沖的至少一個反相型式的至少兩個反向散射回波。對所述編碼脈沖的至少兩個反向散射回波和所述編碼脈沖的反相型式的至少兩個反向散射回波進行相干求和。
本發明的另一種實施方式關于一種進行諧波成像的方法，使用超聲波機器而不使用匹配解碼和壓縮濾波器。該實施方式的方法包括沿第一波束路徑發射具有大于大約1的時間帶寬乘積的至少一個編碼脈沖；以及接收發射的編碼脈沖的至少一個反向散射回波。該方法進一步包括形成所述至少一個編碼脈沖的至少一個反相型式；沿第二波束路徑發射所述至少一個編碼脈沖的至少一個反相型式；以及接收所述編碼脈沖的至少一個反相型式的至少一個反向散射回波。對編碼脈沖的至少一個反向散射回波和編碼脈沖的反相型式的至少一個反向散射回波進行相干求和，形成沿第三波束路徑的至少一個接收回波，其中，第三波束路徑與第一和第二波束路徑呈間隔關系。
本發明的另一種實施方式關于一種進行諧波成像的方法，使用超聲波機器而不使用匹配解碼和壓縮濾波器。該實施方式的方法包括沿兩個分離的波束路徑同時發射具有大于大約1的時間帶寬乘積的至少兩個編碼脈沖；以及接收這兩個發射的編碼脈沖的至少兩個反向散射回波。該方法進一步包括形成編碼脈沖的至少兩個反相型式；沿兩條波束路徑同時發射所述編碼脈沖的兩個反相型式；以及接收所述編碼脈沖的兩個反相型式的至少兩個反向散射回波。對所述編碼脈沖的至少兩個反向散射回波和所述編碼脈沖的兩個反相型式的至少兩個反向散射回波進行相干求和，形成沿兩條波束路徑的至少兩個合成回波。
上述方法的一種或多種實施方式可以進一步包括使用濾波器進行濾波，通過至少一個所選頻率并阻塞一個或多個其它頻率。可以預期，在相干求和之前或之后進行這樣的濾波。一種或多種實施方式包括解碼所述反向散射回波的至少一個相干和，其中，通過在組織內傳播一個或多個編碼脈沖和所述編碼脈沖的一個或多個反相型式，以及對所述編碼脈沖的一個或多個反向散射回波和所述編碼脈沖的反相型式的一個或多個反向散射回波進行相干求和，自然發生這樣的解碼。其它實施方式可以包括選擇至少一個脈沖的中心頻率，使得生成的二次諧波信號的中心頻率落入探頭的預定帶寬范圍內。
本發明的一種實施方式包括一種超聲波裝置，使用自然解碼的編碼激勵而不使用匹配解碼和壓縮濾波器來提供組織的組織諧波成像。該實施方式的裝置包括探頭，用于將至少一個編碼脈沖和所述編碼脈沖的反相型式發射到組織中；響應從組織反向散射的所述編碼脈沖和所述編碼脈沖的反相型式的至少一個回波，而生成至少一個接收信號。該裝置進一步包括相干求和模塊，用于對所述編碼脈沖的至少一個反向散射回波和所述編碼脈沖的反相型式的反向散射回波中的一個進行相干求和，以形成至少一個相干和。
至少一種實施方式的裝置包括濾波模塊，耦合到至少一個相干求和模塊，并用于通過至少一個所選頻率并阻塞一個或多個其它頻率。可以預期，所述濾波模塊可以包括帶通濾波器、基帶低通濾波器以及失配濾波器中的至少一個或其組合。


圖1示出根據本發明特定實施方式的超聲波機器的實施方式的方框圖；圖2示出的流程圖描述了根據本發明的特定實施方式，使用(與圖1所示類似的)超聲波機器或設備來進行組織諧波成像的方法，其使用自然解碼的編碼激勵；圖3示出的流程圖描述了根據本發明的特定實施方式，使用(與圖1所示類似的)超聲波機器或設備來進行組織諧波成像的另一種方法，其使用自然解碼的編碼激勵；圖4示出的流程圖描述了根據本發明的特定實施方式，使用(與圖1所示類似的)超聲波機器或設備來進行組織諧波成像的另一種方法，其使用自然解碼的編碼激勵；圖5示出的流程圖描述了根據本發明的特定實施方式，使用(與圖1所示類似的)超聲波機器或設備來進行組織諧波成像的另一種方法，其使用自然解碼的編碼激勵；圖6示出根據本發明的特定實施方式所設計的發射波波譜的例子；圖7示出的方框圖描述了根據本發明的特定實施方式，用于發射波束的一種方法；
圖8示出的方框圖描述了根據本發明的特定實施方式，用于發射波束的另一種方法；圖9示出的方框圖描述了根據本發明的特定實施方式，用于發射波束的另一種方法；以及圖10示出根據本發明的特定實施方式，在發射過程中脈沖縮短的例子。
當結合附圖閱讀時，可以更好地理解上述發明內容以及隨后對本發明特定實施方式的詳細描述。為了說明本發明的目的，在附圖中示出了特定實施方式。然而，應該理解本發明不限于附圖中所示的結構與構造。
具體實施例方式
只是為了說明的目的，以下詳細描述參照了超聲波機器、裝置或設備的特定實施方式。然而，應該理解本發明可以用于其它設備或成像系統。
本發明的一個或多種實施方式試圖解決先前針對現有組織諧波成像實現所討論的三種困難1)穿透力、SNR以及分辨率之間的折衷；2)近場諧波性能；以及3)隨著用于更高分辨率的多次觸發的幀頻下降。本發明的實施方式使用頻率調制編碼激勵脈沖結合脈沖反轉來解決這些困難，其中，波形具有大于大約1的時間帶寬乘積，以及大于約80％的帶寬。可以預期，不使用昂貴的匹配解碼/壓縮濾波器用于解碼。
圖1示出根據本發明實施方式的超聲波裝置、設備或機器，被標記為10。探頭/變換器(probe/transducer)12通過將電模擬信號變換為超聲波能量，將一個或多個超聲脈沖波(例如，編碼脈沖和/或編碼脈沖的反相型式)發射到對象(例如，活體組織)中。在至少一種實施方式中，探頭/變換器12通過將超聲波能量變換為電模擬信號，從對象接收一個或多個反向散射超聲回波(例如，編碼脈沖和/或編碼脈沖的反相型式的回波)。
在至少一種實施方式中，超聲波設備10包括耦合至探頭/變換器12并至少與探頭/變換器12通信的發射/接收開關14。發射/接收開關14用于使超聲波設備10和探頭/變換器12能夠在發射和接收模式之間進行切換。例如，使用該開關，使探頭/變換器12能夠適當地發射一個或多個超聲脈沖波，并接收一個或多個反向散射回波。
示出至少一個多線/交替矢量發射設備或模塊16，耦合至發射/接收開關14并至少與發射/接收開關14通信。根據以下提供的本發明實施方式，發射器模塊16用于沿一條或多條線路或波束路徑發射一個或多個脈沖(包括脈沖和脈沖的反相型式兩者)。圖1還示出至少耦合至發射器模塊16和波形生成器20并與其通信的至少一個波形存儲器18。根據本發明的一種實施方式，波形生成器20生成至少一個或多個超聲脈沖波和所述脈沖波的一個或多個反相型式，在發射之前被保存并存儲在波形存儲器18中。
本發明的至少一種實施方式包括至少耦合至發射/接收開關14并與發射/接收開關14通信的至少一個多線接收器22。根據以下提供的本發明實施方式，接收器22用于沿一條或多條線路或路徑接收發射脈沖的一個或多個回波或回波波束(包括脈沖和脈沖的反相型式的回波)。多線接收器22還被示出耦合至矢量存儲器24并與矢量存儲器24通信。在該實施方式中，矢量存儲器用于接收、保存并存儲一個或多個回波(包括脈沖和脈沖的反相型式的一個或多個回波)。
相干求和模塊或設備26被示出至少耦合至矢量存儲器24并與矢量存儲器24通信。如以下所提供的，模塊或設備26用于對脈沖的至少一個反向散射回波和該脈沖的反相型式的至少一個反向散射回波進行相干求和。相干求和模塊26被示出耦合至濾波模塊或設備28(例如帶通濾波器)并與其通信。在本發明的一個或多種實施方式中，濾波模塊28使用一個或多個濾波器，至少過濾脈沖的反向散射回波和該脈沖的反相型式的反向散射回波的相干和，所述一個或多個濾波器通過所選頻率并阻止其它頻率。應該理解，模塊26與模塊28可以互換位置，這樣根據實現，過濾每個反向散射回波可以發生在相干求和之前。還可預期，濾波模塊28不使用匹配解碼/解壓縮濾波器來完成這種濾波。還可預期，濾波模塊28可以使用失配濾波器，用于改善距離旁瓣電平。
圖1還示出其它信號處理模塊或設備30，其至少耦合至濾波模塊28并與濾波模塊28通信。可以預期，該其它信號處理模塊或設備30用于提供或執行任何其它所需或希望的信號處理。該其它信號處理模塊或設備30被示出耦合至掃描轉換設備32并與掃描轉換設備32通信，掃描轉換設備32進一步耦合至顯示器34并與顯示器34通信。在一種實施方式中，掃描轉換設備32用于提供掃描轉換功能、色彩映射功能以及組織/液流鑒定功能，并且將數據格式化用于示出。顯示器34接受來自掃描轉換設備32的數據，并且顯示結果圖像。
本發明的至少一種實施方式包括中央控制器或控制處理器50，其可以包括超聲波機器10的主要中央處理器，連接到超聲波機器10的各種其它組件。中央控制器50執行用于各種成像和診斷模式的各種數據算法和功能。在中央控制器50和超聲波機器10的一個或多個組件之間可以傳送數字數據與命令。可替換地，由中央控制器50執行的功能可以由多個處理器或其組合來執行。可替換地，中央控制器50的功能可以集成到單個PC后端。
雖然未示出，但可以預期，本發明的至少一種實施方式包括用戶接口，使得用戶命令能夠由操作員輸入到超聲波機器10。這樣的用戶接口可以包括鍵盤、鼠標、開關、旋鈕、按鈕、跟蹤球、腳踏板、用于輸入話音命令的麥克風和屏幕菜單以及其它設備。
本發明的至少一種實施方式使用具有相位反轉的超寬帶編碼波形。這樣的超寬帶波形通過組織內的傳播與相位反轉來自然解碼。還可以預期，至少一個編碼波形可以是線性或非線性頻率調制信號。在至少一種實施方式中，一個或多個編碼波形可以是線性頻率調制信號，以及一個或多個其它編碼波形可以是非線性頻率調制信號。本發明的至少一種或多個實施方式解決了先前討論的存在于已知組織諧波成像方法中的困難。
本發明的至少一種實施方式使用發射波形設計。在至少一種實施方式中，發射波形設計包括大于1的時間帶寬乘積，一般具有大于大約80％的分數帶寬(也稱為“BW”)。在這種實施方式中，波形可能被幅度和頻率調制。例如，可以用窗口函數的形式來應用幅度調制，諸如高斯遮蔽(Gaussian shading)。頻率調制可以是線性(例如在線性調頻脈沖中)或非線性的。選擇脈沖的中心頻率，使得所生成的二次諧波信號的中心頻率落入探頭的-12dB帶寬范圍內。本發明的實施方式使用頻率調制編碼激勵脈沖結合脈沖反轉，其中，波形具有大于大約1的時間帶寬乘積以及大于大約80％的帶寬。還可預期，根據實際應用的問題，波形的帶寬可以不必大于80％。
圖2示出的高級流程圖描述了根據本發明的特定實施方式，進行組織諧波成像的方法，概括地標識為200，其利用自然解碼的編碼激勵(使用與圖1所示類似的超聲波機器或設備)。在至少一種實施方式中，使用具體指定的波形(使用脈沖反轉)來進行組織諧波成像。更具體地講，方法200包括步驟210，步驟210包括發射具有大于大約1的時間帶寬乘積的至少一個編碼脈沖(例如具有大于大約80％的帶寬的超寬帶脈沖)。
步驟220包括(例如沿同一波束路徑)接收編碼脈沖的至少一個反向散射回波。步驟230包括(例如沿同一波束路徑)發射編碼脈沖的至少一個反相型式。步驟240包括接收編碼脈沖的反相型式的至少一個反向散射回波。在至少一種實施方式中，方法200進一步包括步驟250，該步驟包括對編碼脈沖的至少一個反向散射回波和編碼脈沖的反相型式的至少一個反向散射回波進行相干求和，以形成至少一個相干和。在至少一種實施方式中，可以預期，(例如使用帶通濾波器)過濾編碼脈沖的至少一個反向散射回波和編碼脈沖的反相型式的至少一個反向散射回波的相干和。在另一實施方式中，可以預期，在相干求和之前，過濾編碼脈沖的反向散射回波和編碼脈沖的反相型式的反向散射回波中的至少一個。在至少一種實施方式中，至少編碼脈沖包括頻率線性調制脈沖和頻率非線性調制脈沖中的至少一個。另外，編碼脈沖可以被幅度調制或頻率調制。還可以預期，選擇所述至少一個脈沖的中心頻率，使得生成的二次諧波信號具有落入探頭的預定帶寬范圍之內的中心頻率。
圖3示出的流程圖描述了根據本發明的特定實施方式，利用自然解碼的編碼激勵(使用與圖1所示類似的超聲波機器或設備)來進行組織諧波成像的方法，概括地標識為300。在一種實施方式中，使用具體指定的波形(使用脈沖反轉)來進行組織諧波成像。在至少一種實施方式中，方法300包括步驟310，步驟310包括發射具有大于大約1的時間帶寬乘積的至少一個編碼脈沖(例如具有大于大約80％的帶寬的超寬帶脈沖)。步驟320包括沿發射波束路徑的相對側(例如右側和左側)接收發射的編碼脈沖的至少兩個反向散射回波波束。
步驟330包括形成至少一個編碼脈沖的至少一個反相型式，并發射至少一個編碼脈沖的至少一個反相型式(例如沿同一發射波束路徑)。步驟340包括沿發射波束路徑的相對側(例如右側與左側)接收編碼脈沖的至少一個反相型式的至少兩個反向散射回波波束。
方法300進一步包括步驟350，該步驟包括對編碼脈沖的至少兩個反向散射回波波束和編碼脈沖的反相型式的至少兩個反向散射回波波束進行相干求和，以形成至少兩個相干和。在至少一種實施方式中，可以預期，(例如使用帶通濾波器)過濾編碼脈沖的至少兩個反向散射回波和編碼脈沖的反相型式的至少兩個反向散射回波的相干和。還可以預期，在相干求和之前，過濾編碼脈沖的至少兩個反向散射回波波束和編碼脈沖的反相型式的至少兩個反向散射回波波束。在至少一種實施方式中，方法300進一步包括至少編碼脈沖為頻率線性調制脈沖和頻率非線性調制脈沖，并且可以是幅度調制或頻率調制的脈沖。
圖4示出的流程圖描述了根據本發明的特定實施方式，利用自然解碼的編碼激勵(使用與圖1所示類似的超聲波機器或設備)進行組織諧波成像的方法，概括地標識為400。在一種實施方式中，使用具體指定的波形(使用脈沖反轉)來進行組織諧波成像。在至少一種實施方式中，方法400包括步驟410，步驟410包括沿第一波束路徑發射具有大于大約1的時間帶寬乘積的至少一個編碼脈沖(例如具有大于大約80％的帶寬的超寬帶脈沖)。步驟420包括(例如沿同一波束路徑)接收發射的編碼脈沖的至少一個反向散射回波波束。
方法400進一步包括步驟430，步驟430包括形成至少一個編碼脈沖的至少一個反相型式，并沿第二波束路徑發射至少一個編碼脈沖的至少一個反相型式(例如，第二波束路徑與第一波束路徑在空間上相鄰或臨近)。步驟440包括接收編碼脈沖的至少一個反相型式的至少一個反向散射回波波束。
在至少一種實施方式中，方法400包括步驟450，該步驟包括對編碼脈沖的至少一個反向散射回波波束和編碼脈沖的反相型式的至少一個反向散射回波波束進行相干求和，以形成沿第三波束路徑的接收回波波束。在一種實施方式中，第三波束路徑與第一和第二波束路徑呈間隔關系(例如在相鄰的第一和第二波束路徑中間)。可以預期，在至少一種實施方式中，過濾(例如使用帶通濾波器)接收的回波波束。在另一實施方式中，在相干求和之前，過濾編碼脈沖的至少一個反向散射回波波束和編碼脈沖的反相型式的至少一個反向散射回波波束。在至少一種實施方式中，方法400進一步包括至少編碼脈沖為頻率線性調制脈沖和頻率非線性調制脈沖，并且可以是幅度調制或頻率調制的脈沖。
圖5示出的流程圖描述了根據本發明的特定實施方式，利用自然解碼的編碼激勵(使用與圖1所示類似的超聲波機器或設備)進行組織諧波成像的方法，概括地標識為500。在一種實施方式中，使用具體指定的波形(使用脈沖反轉)來進行組織諧波成像。在至少一種實施方式中，方法500包括步驟510，步驟510包括沿兩個分離的波束路徑同時發射具有大于大約1的時間帶寬乘積的至少兩個編碼脈沖(例如具有大于大約80％的帶寬的超寬帶脈沖)。這兩個分離的波束路徑相距足夠遠以避免聲波串擾。
步驟520包括(例如沿兩個分離的波束路徑)接收兩個發射的編碼脈沖的至少兩個反向散射回波波束。步驟530包括形成編碼脈沖的至少兩個反相型式，并同時發射編碼脈沖的兩個反相型式(例如沿相同的兩個波束路徑)。步驟540包括接收編碼脈沖的兩個反相型式的至少兩個反向散射回波波束(例如沿相同的兩個分離波束路徑)。
在至少一種實施方式中，方法500包括步驟550，該步驟包括對編碼脈沖的至少兩個反向散射回波波束和所述編碼脈沖的兩個反相型式的至少兩個反向散射回波波束進行相干求和(以形成沿例如相同的兩個波束路徑的兩個合成回波波束)。在至少一種實施方式中，過濾(例如使用帶通濾波器)這兩個合成回波波束。在另一實施方式中，在相干求和之前，過濾編碼脈沖的至少兩個反向散射回波波束和編碼脈沖的反相型式的至少兩個反向散射回波波束。在至少一種實施方式中，對于每個編碼脈沖，都形成所述編碼脈沖的至少一個反相型式。還可以預期，這兩個波束路徑在空間上分離。
圖6示出具有相同時間長度和中心頻率的超寬帶脈沖和規則幅度調制脈沖的波譜的例子。示出了根據本發明特定實施方式的超寬帶設計的發射波譜(圖6中標記為610的實線)。示出了規則脈沖波譜(示出為長短交替虛線，標記為612)，用于與超寬帶的設計發射波譜610進行比較，并且具有相同的時間長度。標記為614的虛線表示探頭的帶寬。
在至少一種實施方式中，使用了兩次觸發(即脈沖反轉)。在這種情況下，幀頻下降成為嚴重的問題。圖7-9中示出了本發明所使用的處理幀頻下降的三種不同的實施方式。
圖7示出使用多線獲取的根據本發明的至少一種實施方式。標記為700的所示實施方式，每個發射波束使用多個(兩個或更多)接收波束。圖7示出探頭705在左側和右側具有兩個波束(發射波束路徑714左右側分別標記為710與712)。可以預期，該實施方式可以將每幀的發射矢量減少一半或更多，從而達到與常規波束形成相同的接收線密度。結合多線獲取和脈沖反轉(其包括在正發射和負發射[反相]中接收多波束而非相應于一個波束的一個波束)有助于將幀頻恢復到與常規單次觸發諧波帶通濾波相關聯的幀頻，同時保持脈沖反轉諧波的優點。
圖8示出本發明的另一實施方式。該實施方式包括使用空間上的相位交替。更具體地講，該標記為800的實施方式包括探頭805，該探頭交替一個或多個波形的極性相位用于在空間發射矢量。更具體地講，圖8示出兩個波形Tx(n)(具有正極性，被標記810)和Tx(n+1)(具有負極性，被標記812)。應該理解，雖然示出了兩個波形，但是可以預期多于兩個的波形。另外，可以預期Tx(n)810可以具有負極性，而Tx(n+1)812可具有正極性。在至少一種實施方式中，可以通過在幀上平均執行兩波束相干來抵消基波頻率分量。
圖9示出本發明的另一實施方式。該實施方式包括多線發射。更具體地講，標記為900的該實施方式與先前提供的圖7所示的多線獲取類似。在該實施方式中，探頭905在成像場中同時發射一個或多個分離的脈沖。在至少一種實施方式中，沿相同波束路徑(未示出)接收脈沖的反向散射回波，(例如使用濾波器)進行過濾并存儲在存儲器中。在所示實施方式中，在時間ti發射兩個分離的矢量，即，標記為910的Tx(n)和標記為912的Tx(n+k)。反向散射回波被接收、(例如使用帶通濾波器)進行過濾，并且與存儲的脈沖相干求和。可以預期，使用本發明的至少一種實施方式，可以避免與脈沖反轉相關聯的幀頻下降。Tx(n)和Tx(n+k)相距足夠遠以避免聲波串擾。
還可以預期，本發明的實施方式可以允許比單次觸發帶通濾波方法所能允許的幀頻更快的幀頻。例如，前面所討論的本發明的一種或多種實施方式可以結合起來以提高幀頻。例如，圖7所示的多線獲取實施方式可以與圖9所示的多線發射實施方式相結合，將幀頻翻倍。
在本發明的至少一種實施方式中，具有大于大約80％的BW的脈沖的超寬帶設計使得在發射脈沖中有更多的低頻分量，從而顯著提高了穿透力和SNR。聲波衰減與頻率成正比，其中對數衰減或者以dB表示的atten(r)可以建模如下atten(r)＝2far其中，f表示頻率，2表示往返路徑，r表示傳播距離以及a表示衰減系數。因此，例如，在相同衰減的情況下，具有更低頻率的脈沖能夠穿透組織到更深的距離。增加低頻分量以至少兩種方式有助于穿透力a)如上等式所示，可以取得更深的傳輸；以及b)因為所生成的二次諧波信號將具有落入探頭的有效帶寬內的波譜，所以在接收側提高了SNR與穿透力。SNR的提高有助于對比分辨率。
與單次觸發和規則脈沖反轉方法相比，本發明的一種實施方式具有改善的圖像分辨率(空間和對比度)。在至少一種實施方式中，采用脈沖反轉以發射超寬帶信號(大于大約80％的BW)。還可以預期，通過仔細設計時間帶寬乘積，與單次觸發帶通濾波的情況相比，在諧波成像中點擴散函數將會更加緊密和平滑。另外，二次諧波信號中提高的SNR有助于克服基波信號泄露，與規則脈沖反轉相比，進而增加對比度和空間分辨率。
最好超寬帶發射在發射中包括更多的高頻分量，從而允許近場諧波成像性能。通過查看具有無損耗的二次諧波生成的組織中的諧波生成、來自單頻源的平面波解(plane wave solution)，可以理解該近場諧波成像性能。這種具有無損耗的二次諧波生成的組織中的諧波生成、來自單頻源的平面波解可以由Hamilton MF、Blackstock DT.在“Nonlinear Acoustics”中所公開的以下公式表示P2=βρ02ω2ρ0c3xsin(2ωt)]]>其中，P2表示二次諧波分量，x表示深度，ρ0表示傳播組織的密度，c表示聲速，p0表示來源處的聲壓，β表示非線性系數以及ω表示發射角頻率。根據上述等式可以看出，距離和頻率的乘積(xω)與P2的強度成正比。因此，增加發射頻率將導致在近場中更多的二次諧波生成。與變換器(即探頭)表面的距離越近，則需要更高的發射頻率。
本發明的一個或更多實施例僅使用通過一個或多個所選頻率而阻塞或阻止其它頻率的濾波器，而不使用昂貴的匹配解碼和壓縮濾波器。
通過編碼脈沖在組織內的傳播和脈沖反轉而自然發生解碼。首先，在近場中，波形的低頻部分產生非常小的諧波響應；僅高頻部分產生顯著的諧波回波。這樣，諧波信號的持續時間被縮短。使用脈沖反轉來消除低頻部分，以及僅僅由高頻部分產生的短持續時間的諧波信號對圖像起作用。
第二，在傳輸過程中，非常高的頻率分量被衰減更快的衰耗掉，導致隨著波穿過組織的傳播而越來越短的脈沖。圖10示出超寬帶信號在傳輸過程中變短(即衰減效應)的脈沖舉例。該圖示出由于高頻分量的衰減，隨深度增加脈沖持續時間變短。這將有助于緊縮中場和遠場區域中的點擴散函數。
第三，相對于基波成像，諧波成像具有固有的緊縮和平滑點擴散函數。在基波成像中，設計編碼激勵波形以最大化穿透力。因此，編碼激勵技術(例如線性脈沖調頻)通常采用非常長的發送波形和解碼濾波器。然而，在本發明的至少一種實施方式中，發送信號的編碼激勵波形不需要非常長，于是，當與脈沖反轉以及上述效應結合時，不需要解碼。然而，應當理解，盡管不需要解碼，用于改善距離旁瓣電平的設計仍然可被應用于接收的回波。這里，失配濾波器不同于匹配濾波器，因為它不從最大化SNR的觀點來匹配發送碼。
概括而言，本發明的至少一種實施方式引入具有大于大約1的時間帶寬乘積的寬帶(大于大約80％的BW)編碼激勵發送信號用于諧波成像。至少一種實施方式使用脈沖反轉，以去除基波重疊效應，并且還使用多線獲取、空間相位交替以及多線發射方法中的至少一個(或者這些方法中兩個或更多個的結合)，以避免如先前所提供的那樣由兩次觸發所引起的幀頻下降。寬帶發射信號改善了甚近場中的諧波成像性能，同時與使用規則脈沖(時間帶寬乘積＝1)的普通脈沖反轉方法相比，增加了穿透力和SNR。通過組織內的傳播和脈沖反轉而自然實現接收信號的解碼。
可以預期，與單次觸發帶通濾波諧波成像方法相比，本發明的實施方式能夠大大提高圖像分辨率，同時保持與單次觸發諧波成像相同甚至更好的穿透力和SNR，其遠遠超出了規則脈沖反轉諧波成像的穿透力。
還可以預期，本發明的實施方式使用多線獲取、空間相位交替以及多線發射方法中的一個或多個(或者這些方法中兩個或更多個的結合)。結果，與單次觸發帶通濾波諧波成像相比，不需要犧牲幀頻來獲得高很多的分辨率。
本發明的另一實施方式將超寬帶波形、相位反轉和組織衰減相結合，這導致了接收諧波信號的自然壓縮，得益于用于改善近場諧波成像性能的編碼激勵、更好的SNR和更強的穿透力，從而避免了對于昂貴的解碼濾波器的需求。
雖然針對特定實施方式描述了本發明，但是本領域技術人員應該理解在不脫離本發明范圍的前提下可以進行各種修改與等價物替換。另外，根據本發明的教導，在不脫離其范圍的前提下，可以進行各種修改，以適應特定環境或材料。因此，本發明不限于所公開的特定實施方式，而是包括所有落入權利要求范圍內的實施方式。
權利要求
1.一種不使用匹配解碼和壓縮濾波器進行諧波成像的方法(200、300、400、500)，包括下列步驟發射具有大于大約1的時間帶寬乘積的編碼脈沖(210、310、410、510)和所述編碼脈沖的反相型式(230、330、430、530)；接收所述編碼脈沖的至少一個反向散射回波(220、320、420、520)和所述編碼脈沖的反相型式的至少一個反向散射回波(240、340、440、540)；以及對所述編碼脈沖的至少一個反向散射回波(220、320、420、520)和所述編碼脈沖的反相型式的至少一個反向散射回波(240、340、440、540)進行相干求和(250、350、450、550)。
2.根據權利要求1的方法，包括解碼所述編碼脈沖的反向散射回波(220、320、420、520)和所述編碼脈沖的反相型式的反向散射回波(240、340、440、540)，其中，所述解碼通過以下自然發生A.至少所述編碼脈沖(220、320、420、520)和所述編碼脈沖的反相型式(240、340、440、540)在組織內的傳播；以及B.對于所述編碼脈沖的反向散射回波(220、320、420、520)和所述編碼脈沖的反相型式的反向散射回波(240、340、440、540)的所述相干求和(250、350、450、550)。
3.根據權利要求1的方法，進一步包括在所述相干求和(250、350、450、550)之前或之后，使用通過至少一個所選頻率并阻塞至少一個其它頻率的濾波器(28)，來過濾所述編碼脈沖的反向散射回波(220、320、420、520)和所述編碼脈沖的反相型式的反向散射回波(240、340、440、540)。
4.根據權利要求3的方法，其中，所述濾波器(28)包括帶通濾波器、基帶低通濾波器以及失配濾波器中的至少一個。
5.根據權利要求1的方法，其中，至少所述編碼脈沖(210、310、410、510)包括具有大于大約80％的帶寬的至少一個超寬帶頻率調制脈沖。
6.根據權利要求1的方法，其中，選擇所述至少一個脈沖的中心頻率，使得生成具有落入探頭(12、705、805、905)的預定帶寬范圍內的中心頻率的二次諧波信號。
7.一種用于提供組織的組織諧波成像的超聲波裝置(10)，其使用自然解碼的編碼激勵而不使用匹配解碼和壓縮濾波器，該裝置包括探頭(12、705、805、905)，用于向組織中發射至少一個編碼脈沖(210、310、410、510)和所述編碼脈沖的反相型式(230、330、430、530)，響應從所述組織反向散射的所述編碼脈沖的至少一個回波(220、320、420、520)和所述編碼脈沖的反相型式的至少一個回波(240、340、440、540)，而生成至少一個接收信號；以及相干求和模塊(26)，用于對所述編碼脈沖的至少一個反向散射回波(220、320、420、520)和所述編碼脈沖的反相型式的至少一個反向散射回波(240、340、440、540)進行相干求和，以形成至少一個相干和。
8.根據權利要求7的裝置，進一步包括濾波模塊(28)，至少耦合至所述相干求和模塊(26)，并用于通過至少一個所選頻率并阻塞至少一個其它頻率。
9.根據權利要求7的裝置，進一步包括至少一個多線發射器(26)，用于沿波束路徑和多個波束路徑中的至少一個發射至少多個脈沖。
10.根據權利要求7的裝置，進一步包括至少一個多線接收器(22)，用于沿一個波束路徑或多個波束路徑，接收發射脈沖的至少一個回波或多個回波。
全文摘要
本發明關于使用超聲波機器提供組織諧波成像的方法(200、300、400、500)和裝置(10)。具有大于1的時間帶寬乘積的編碼脈沖(210、310、410、510)和所述編碼脈沖的反相型式(230、330、430、530)被發射到組織內。接收反向散射回波(220、240、320、340、420、440、520、540)，并且在相干求和之前或之后進行濾波。通過具體指定的超寬帶(80％)波形在組織內的傳播和脈沖反轉來自然實現編碼脈沖的接收回波的解碼/壓縮。不需要昂貴的解碼/壓縮濾波器。
文檔編號G01S15/00GK1623513SQ20041007854
公開日2005年6月8日 申請日期2004年9月9日 優先權日2003年9月9日
發明者郝曉輝, 理查德·奇奧, 史蒂文·米勒, 李亞東 申請人:Ge醫藥系統環球科技公司