CN107003403A - 声成像的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，在待成像的介质中，连续发射通过把n个基本入射波E0i(t)与编码矩阵Hc进行线性组合而得到的n个入射声波Ei(t)。然后，在发射n个入射波之后，连续检测来自待成像的介质的n个反射波Ri(t)；然后通过把所检测的n个反射波Ri(t)与解码矩阵Hd进行线性组合确定n个基本反射波R0i(t)。Hc和Hd矩阵使得Hc·Hd＝D，在此，D是n阶对角矩阵，其所有对角元素大于1。

Description

声成像的方法和设备
技术领域
本发明涉及到声成像的方法和设备。
背景技术
文件EP2101191以及Montaldo等人编写的题为《极高帧频超声以及瞬时弹性成像的混合相干平面波(Coherent plane-wave compounding for very high frame rateultrasonography and transient elastography)》的文章(《IEEE Trans UltrasonFerroelectr Freq Control》2009年3月；56(3)：489-506)描述了一种声成像方法，其中，声换能器阵列连续地在待成像的介质中发射平面的或发散的一系列n个入射声波Ei(t)，n个入射波在待成像的介质中传播，并且分别生成n个反射波，换能器阵列检测表示反射波的信号。
发明内容
该方法使之能够在图像采集速度和图像清晰度方面有明显进步。
但是，这类方法的缺点是由于待成像的介质中，尤其是生物组织中超声波的衰减，使得所得到的图像的分辨率随着深度大大降低。
这个问题的一个解决方案是增加发射超声波的振幅。但是，该量级增加不能超出超声换能器和/或控制换能器的电子设备指示的一定阈值和/或关于医疗应用的有效安全标准。
还提出了传输信号的基于时间或空间编码的其它解决方案，但是这些解决方案需要使用复杂且成本高昂的传输电子设备，实际上在传统超声成像设备中无法使用所述传输电子设备。
本发明的目的是克服这些缺点，提供一种能够改善解决方案的声成像方法，而不损失成像速度，不明显增加实施所述声成像方法的声成像设备的复杂性或成本。
为此目的，本发明提出一种超声成像方法，包括以下步骤：
(a)发射/接收步骤，在该步骤过程中，声换能器阵列在观测区中连续发射一系列n个入射声波Ei(t)，所述观测区是待成像的介质的一部分，发射n个入射波之后，声换能器阵列检测分别由待成像的介质反射的n个反射波Ri(t)，在此，n是至少等于2的自然数，所述入射声波是按照对应于下列公式的方式通过线性组合n个基本入射波E0i(t)得到的：
其中：
Hc是n阶方阵(称为编码矩阵)，
是矢量，n个入射波作为其分量，
是矢量，n个基本入射波作为其分量，所述基本入射波是平面波或发散波或者集中在分别具有n个不同波前的空间中的不同点的波，
每个基本入射波都是由声换能器阵列的多个声换能器发射的，并且扫过整个观测区，
(b)解码步骤，在该步骤过程中，通过线性组合所检测的n个反射波Ri(t)，按照以下公式确定n个基本反射波R0i(t)：
在此：
λ是非零常数，
Hd是n阶方阵(称为解码矩阵)，矩阵Hc和Hd使得Hc.Hd＝D，在此，D是n阶对角矩阵，其中所有对角元素dii非零，
是矢量，n个反射波作为其分量，
是矢量，n个基本反射波作为其分量，
(c)图像构建步骤，在该步骤过程中从n个基本反射波R0i(t)生成合成图像。
因此,本发明能显著提高所得到的超声图像的分辨率，而无需增加入射波的脉冲次数(因此不会降低帧频)，无需增加超声设备的复杂度，而且无需增加入射声波的振幅。
实际上，n个基本反射波R0i(t)分别代表通过单独发射n个基本入射波E0i(t)以及捕捉相应的反射波而得到的信号，但是，所述n个基本反射波R0i(t)的振幅大于通过单独发射n个基本入射波E0i(t)可能检测到的信号的振幅，这样改善了解决方案。
振幅以及分辨率的增益是因为每个基本反射波R0i(t)都与来自入射波的n次脉冲相结合，因此有更丰富的信息。
在通过平面波或分散波或多焦点波的n次脉冲合成超声图像的情况下，本发明可用于所有方法，特别是如文件EP2101191所述，例如，用于剪切波成像、血管网成像(高灵敏度多普勒成像或其它，尤其是大脑功能成像)等等。
在根据本发明的方法的各个实施例中，可利用以下设置中的一项或多项设置：
-矩阵Hc和Hd使得Hc.Hd＝D，在此，D是n阶对角矩阵，其中所有对角元素dii都大于1；
-n是非零自然偶数；
-矩阵Hc是n阶阿达玛(Hadamard)矩阵，矩阵Hd是矩阵Hc的转置；
-每个所述声波都是由多个时间信号表示的，每个时间信号表示作为所述换能器阵列中一个换能器处的所述声波；
-在解码步骤之后，该方法进一步包括图像构建步骤，在该步骤中通过n个基本反射波R0i(t)生成合成图像。
本发明还涉及到一种执行上述方法的设备，包括：
(a)发射装置，适合通过声换能器阵列在待成像的介质内的观测区中连续发射一系列n个入射声波Ei(t)，所述入射声波是按照与下列公式相对应的方式通过线性组合n个基本入射波E0i(t)而得到的：
在此：
Hc是n阶方阵，
是矢量，n个入射波作为其分量，
是矢量，n个基本入射波作为其分量，所述基本入射波是平面波或发散波或者集中在分别具有n个不同波前的空间中的不同点的波，
每个基本入射波都是由声换能器阵列的多个声换能器发射的，并且扫过整个观测区，
(b)接收装置，适合通过n个反射波Ri(t)的声换能器阵列进行连续检波，所述n个反射波Ri(t)是在发射n个入射波之后分别由待成像的介质反射的，
(c)编码装置，适合按照与下列公式相对应的方式通过所检测的n反射波Ri(t)的线性组合确定n个基本反射波R0i(t)：
在此：
Hd是n阶方阵，矩阵Hc和Hd使得Hc.Hd＝D，在此，D是n阶对角矩阵，其中所有对角元素dii非零，
是矢量，n个反射波作为其分量，
是矢量，n个基本反射波作为其分量，
(d)图像构建装置，适合通过n个基本反射波R0i(t)创建合成图像。
附图说明
通过作为非限制性实例列出的本发明的一个实施例的以下说明，参考附图，本发明的其它特征和优点显而易见。
在附图中：
-图1是执行根据本发明一个实施例的方法的设备的示意图，
-图2是图1中的一部分设备的方框图，
-图3是一系列时序图，显示了不同入射声波的分量基本入射波，连续发射所述入射声波，以便生成合成图像，
-图4a至图4d是超快多普勒图像，显示了大脑脉管***，图4a和图4c是通过本发明以外的合成成像在两个不同平面中得到的，图4b和图4d是通过本发明的合成成像在相同平面中分别得到的，以及
-图5a和图5b是超声弹性图像，显示了剪切波在人体组织中的传播，分别是通过本发明的合成成像以及本发明以外的合成成像得到的。
具体实施方式
在各图中，相同的参考号指代相同或相似的元件。
图1和图2显示了设备的一个实例，所述设备通过发射和接收超声压缩波对待成像的介质1进行合成超声成像，例如，所述待成像的介质1的待研究的人或动物的组织，例如，所述发射和接收的频率介于2至40MHz之间，尤其是介于2至10MHz之间。生成的超声图像与一部分介质1相对应，在这里将其称为观测区。
可以通过p个超声换能器2a(T1-Tn)的阵列2发生超声波的发射和接收，例如，所述阵列2包括数百个换能器2a(例如，至少100)。例如，阵列2可能是适合创建二维(2D)图像的换能器的线性阵列(1D阵列)，或者可能是适合创建三维(3D)图像的二维阵列。
成像装置还包括，例如：
-电子电路3，其控制换能器阵列2，并且适合使换能器阵列发射超声波以及检测换能器阵列接收的信号；
-计算机4或相似设备，用于控制电子电路3并查看从所述检测信号获得的超声图像。
如图2所示，电子电路3可包括，例如，：
-p个模数转换器11(A/Dj)，分别连接到换能器阵列2的p个换能器Τ1-Τp，
-p个缓冲器12(Bj)，分别连接到p个模数转换器11，
-处理器13(CPU)，与缓冲器12和计算机4进行通讯，并且适合处理发送到换能器阵列2以及从所述换能器阵列接收的信号，
-连接到处理器13的存储器14(MEM)。
图1和图2中所示的成像装置适合进行介质1的合成超声成像，尤其是如文件EP2101191所述。
按照这种成像方法可以识别数个主要步骤：
(a)发射/接收步骤
(b)解码步骤
(c)图像构建步骤。
现在对这些步骤进行详细说明。发射步骤和解码步骤利用编码矩阵Hc和解码矩阵Hd，如前文所述。
这些编码矩阵Hc和解码矩阵Hd是n阶方阵，其中，n是至少等于2的自然数，最好是偶数，例如，n介于2至100之间，有利的是介于4至20之间。
编码矩阵Hc和解码矩阵Hd使得Hc.Hd＝D，在此，D是n阶对角矩阵，其中所有对角元素dii非零。
优选的是，D可以是n阶对角矩阵，其中所有对角元素都是正数，最好大于1。
更优选的是，矩阵Hc可与n阶阿达玛矩阵Hn成比例，矩阵Hd是矩阵Hc的转置。
换言之：
Hc＝λ.Hn(0)而且
Hd＝tHc(0’)，
在此，λ是非零常数。
下面列出了阿达玛矩阵Hn的实例，对于n＝2以及n＝4。
对于n＝2：
对于n＝2：
在编码矩阵是阿达玛矩阵(Hc＝Hn)的情况下，上述对角矩阵D等于n乘以单位矩阵(换言之，D的所有对角元素dii等于n)。
(a)发射/接收步骤
(al)发射：
在发射/接收步骤过程中，处理器13使换能器阵列2把一系列n个入射声波Ei(t)，尤其是前文所述的超声波连续发射到介质1。入射声波的脉冲通常小于一微秒，通常约为在中心频率的超声波的1至10个周期。入射波的脉冲可彼此隔开，例如，相隔大约50至200微秒。
每个入射声波都是通过线性组合n个基本入射波E0i(t)得到的，所述n个基本入射波E0i(t)是平面波或发散波或者集中在分别具有n个不同波前的空间中的不同点的波。
如EP2101191所述，这些基本波使得每个波都是由多个换能器(最好至少10个换能器，通常为阵列2的p个换能器)发射的，从而扫过介质1中待成像的整个区域。
该线性组合是按照与下列公式相对应的方式发生的：
在此：
是矢量，n个入射波作为其分量，
是矢量，n个基本入射波作为其分量。
可以提前计算入射声波，例如，并将其存储在存储器14中。
每个基本入射波都是由声换能器阵列2中的多个声换能器发射的，并扫过整个观测区。
有利的是，每个n入射声波Ei(t)都可以用多个时间信号Eij(t)表示，所述时间信号Eij(t)将所述入射声波表示为分别由所述换能器阵列2的各个换能器Tj发射的。因此，Ei(t)可以用矢量Ei(t)＝[Eij(t)]表示。
同样，n个基本入射波E0i(t)中每个都可以有多个时间信号E0ij(t)表示，所述时间信号E0ij(t)表示分别位于所述换能器阵列2的不同换能器Tj的所述基本入射波。因此，E0i(t)可以用矢量E0i(t)＝[E0ij(t)]表示。
需注意的是，对于相同发射波Ei(t)而言，因此在常量i，信号Eij(t)在振幅和时空形态方面完全不相同，在此进行的编码是时空编码。
由换能器j发射的每个信号Eij(t)是基本信号Eij0(t)的线性组合，该线性组合可以从上面的公式(1)中推导出来。因为矩阵Hc具有非零系数，所以上述线性组合也具有非零系数；换言之，由每个换能器j发射的信号Eij(t)是所有基本信号Eij0(t)的具有非零系数(例如，在阿达玛矩阵的情况下，为+1或-1)的线性组合，所述基本信号Eij0(t)与不同的基本波i相对应(合计n个基本波)。
来自一个换能器j与另一个换能器的信号Eij0(t)在其时空形态上也不同，对于得到理想的基本波形而言，这是必须的。
此外，各个分量Eij0(t)是非零信号，所以线性组合有效，而且每个信号Eij(t)都与信号Eij0(t)不同。
图3阐释了n＝4的一种特殊情况，其中，入射声波Ei(t)是四个基本入射波的线性组合，所述基本入射波是具有不同倾角的平面波E0i(t)，沿着平行于换能器阵列的X轴根据时间t显示波前。在这个实例中，采用的编码矩阵是上文提及的阿达玛矩阵H4。
用虚线表示线性系数指定为-1的平面波(-E0i(t))，用实线表线性系数示指定为+1的平面波(+E0i(t))。如图3中关于波E1(t)和E2(t)的顶部详细视图所示，基本入射波E0i(t)的波形可以是阻尼正弦曲线，例如持续大约3个周期，指定的线性系数为-1的平面波(-E0i(t))简单地具有与E0i(t)相反的波形。
(a2)接收：
每个入射声波Ei(t)都穿过介质1传播，所述介质1返回相应的反射波Ri(t)。发射下一个入射声波之前，换能器阵列2检测反射波Ri(t)，然后将所述反射波Ri(t)发射到处理器13并存储在存储器14中。
反射波Ri(t)存储为多个时间信号Rii(t)，所述时间信号Rii(t)把所述反射波表示为分别由换能器阵列2的各个换能器Tj检测。因此，Ri(t)可以用矢量Ri(t)＝[Rij(t)]表示。
(b)解码步骤
发射n个入射声波Ei(t)以及接收n个反射波Ri(t)之后，处理器13执行解码步骤，在解码步骤中，按照以下公式通过线性组合所检测的n个反射波Ri(t)来确定n个基本反射波R0i(t)：
其中：
是矢量，n个反射波作为其分量，
是矢量，n个基本反射波作为其分量。
按照多个时间信号R0ij(t)的形式确定基本反射波R0i(t)，所述时间信号R0ij(t)代表换能器阵列2的不同换能器T的所述基本反射波。因此，R0i(t)可以表示为矢量R0i(t)＝[R0ij(t)]，或者更普遍而言，将其表示为在K时刻tk进行时间采样之后的矩阵R0i(t)＝[R0ijk(tk)]。
(c)图像构建步骤
解码步骤(b)之后，处理器13执行图像构建步骤，在该步骤中，通过n个基本反射波R0i(t)生成合成图像，例如，如文件EP2101191或者Montaldo等人撰写的题为《极高帧频超声以及瞬时弹性成像的相干平面波》的文章(《IEEE Trans Ultrason Ferroelectr FreqControl》2009年3月；56(3)：489-506)所述。
如前文所述，通常以矩阵形式R0i(t)＝[R0ijk(tk)]呈现的基本反射波R0i(t)构成前述文件中所述方法的最初原始数据(或“RF原始数据”)的矩阵。具体而言，通过n个RF原始数据的矩阵R0i(t)，处理器13分别在待成像的介质1的M点Pm(x，z)(称为虚拟焦点)计算相干合成RF数据矩阵，m是1至M之间的一个整数，x是点Pm在在线性换能器阵列2的情况下的X轴上的横坐标(在二维阵列2的情况下，用x，y取代x)，所述X轴平行于换能器阵列2，z是沿着垂直于X轴的Z轴的介质1的深度。每个相干合成RF数据的M矩阵包括p个时间信号RFcoherentm，j(t)，如果换能器发射集中在点Pm的入射波，所述时间信号与可能分别被换能器Tj检测的信号相对应。
例如，根据文件EP2101191或者Montaldo等人撰写的题为《极高帧频超声以及瞬时弹性成像的相干平面波》的文章(《IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control》2009年3月；56(3)：489-506)中的所述原理，可以通过假设超声压缩波在介质1中均匀传播速度为c，得到相干RF数据的矩阵。
因为与每个基本入射波E0i(t)相对应的平面波的传播方向已知，而且传播速度c已知，所以处理器13可以针对每个点Pm计算基本入射波i到点Pm的传播时间τec(i，m)以及基本反射波从点Pm到换能器Tj的传播时间τrec(i，m，j)，因此得到往返行程的总时间τ(i，m，j)＝τec(i，Pm)+τrec(i，Pm，j)。
然后利用以下公式结算与虚拟焦点Pm相对应的换能器Tj的空间相干信号：
其中，B(i)是加权每个基本入射波i的贡献的函数(系数B(i)可全部等于1)。
然后可以通过纠正介质1中的像差效果来优化相干数据矩阵RFcoherentmj，例如，前文提及的文件EP2101191或Montaldo等人所述。
处理器13然后可进行常规的接收波束成形，以便得到前文提及的文件EP2101191或Montaldo等人中所述的超声图像，而且/或者运用更详尽的处理(例如，计算多普勒或彩色多普勒图像)，这本身是已知的。
在换能器阵列2是二维的阵列的情况下，或者在基本入射波与基本反射波是分散的情况下，图像构建方法相似。
在所有情况下，与通过发射平面波进行常规合成成像所获得的图像(如上文中的文件EP2101191或Montaldo等人所述)相比，生成的图像显示了明显增加的分辨率。
因此，图4a和图4c的超快多普勒图像显示了鼠脑的血管化，是通过(不用本发明的)发射平面波而进行合成成像在两个不同平面中进行的，而图4b和图4d则是分别利用本发明的合成成像在相同平面中进行的：图4b和4d的图像的分辨率明显增加，这是肉眼可见的。
同样，图5a和图5b是超声弹性图像，显示了剪切波在人体组织中的传播，是分别通过本发明的合成成像以及不用本发明的合成成像获得的：图5b的图像的高分辨率是肉眼可见的。

Claims (7)

1.一种声成像方法，包括以下步骤：
(a)发射/接收步骤，在该步骤过程中，声换能器阵列(2)在观测区中连续发射一系列n个入射声波Ei(t)，所述观测区是待成像的介质(1)的一部分，发射n个入射波之后，声换能器阵列检测分别由待成像的介质所反射的n个反射波Ri(t)，其中，n是至少等于2的自然数，
所述入射声波是按照对应于以下公式的方式通过线性组合n个基本入射波E0i(t)得到的：
其中：
Hc是n阶方阵，
是矢量，n个入射波作为其分量，
是矢量，n个基本入射波作为其分量，所述基本入射波是平面波或发散波或者集中在分别具有n个不同波前的空间中的不同点的波，
每个基本入射波都是由声换能器阵列(2)的多个声换能器发射的，并且扫过整个观测区，
(b)解码步骤，在该步骤过程中，通过线性组合所检测的n个反射波Ri(t)，按照以下公式确定n个基本反射波R0i(t)：
其中：
Hd是n阶方阵，矩阵Hc和Hd使得Hc.Hd＝D，在此，D是n阶对角矩阵，其中所有对角元素dii非零，
是矢量，n个反射波作为其分量，
是矢量，n个基本反射波作为其分量，
(c)图像构建步骤，在该步骤过程中从n个基本反射波R0i(t)生成合成图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，矩阵Hc和Hd使得Hc.Hd＝D，其中，D是n阶对角矩阵，所有对角元素dii大于1。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，n是非零自然偶数。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，矩阵Hc是n阶阿达玛矩阵，矩阵Hd是转置矩阵Hc。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，每个所述声波都是由多个时间信号表示的，每个时间信号表示在所述换能器阵列中的一个换能器处的所述声波。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，待成像的介质(1)包括人体或动物的生物组织。
7.一种声成像设备，包括：
(a)发射装置(13，2)，适合通过声换能器阵列(2)在待成像的介质内的观测区中连续发射一系列n个入射声波Ei(t)，所述入射声波是按照与下列公式相对应的方式通过线性组合n个基本入射波E0i(t)得到的：
在此：
Hc是n阶方阵，
是矢量，n个入射波作为其分量，
是矢量，n个基本入射波作为其分量，所述基本入射波是平面波或发散波或者集中在分别具有n个不同波前的空间中的不同点的波，
每个基本入射波都是由声换能器阵列(2)的多个声换能器发射的，并且扫过整个观测区，
(b)接收装置(2，13)，适合通过n个反射波Ri(t)的声换能器阵列(2)进行连续检波，所述n个反射波Ri(t)是在发射n个入射波之后分别由待成像的介质反射的，
(c)解码装置(13)，适合按照与下列公式相对应的方式通过所检测的n反射波Ri(t)的线性组合来确定n个基本反射波R0i(t)：
在此：
Hd是n阶方阵，矩阵Hc和Hd使得Hc.Hd＝D，在此D是n阶对角矩阵，其中所有对角元素dii非零，
是矢量，n个反射波作为其分量，
是矢量，n个基本反射波作为其分量，
(d)图像构建装置(13)，适合通过n个基本反射波R0i(t)创建合成图像。
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