CN112566559A - 具有像素外推图像增强的超声成像*** - Google Patents

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Abstract

一种超声成像***通过对诸如孔径尺寸、成像频率或图像复合的程度的不同成像特性的两幅超声图像的外推来产生具有增强分辨率或对比度的图像。为了防止图像伪影的显示，外推通过伪影移除和图像平滑来实现。

Description

具有像素外推图像增强的超声成像***
相关申请的交叉引用
本申请要求享有于2018年7月11日提交的美国临时申请US 62/696413的优先权权益，通过引用将其整体并入本文。
技术领域
本发明涉及超声成像***，并且具体地涉及使用图像值的外推处理来增强图像分辨率或对比度的超声成像***。
背景技术
在超声成像中，图像特性(包括空间分辨率、对比度分辨率、帧速率和组织均匀性)是紧密联系的。这意味着这些特性中的至少一个需要被折中以便实现另一特性的改进。例如，更高的成像频率能够实现更好的空间分辨率，但是以降低的穿透深度为代价。更大的孔能够实现更好的横向分辨率，但是以增加的***复杂性和成本为代价。平面波和分散波成像能够通过在与仅一次发送发射一样少的情况下对整个介质进行成像而实现显著增强的帧速率。然而，这以降低的图像对比度为代价而被实现，并且通常还需要能够支持高阶多线和其波束形成的超声***。
已经被提出以克服这些限制和固有冲突的一种技术是不同特性的图像的外推以估计为外推图像的增强的图像值。例如，参见Crotenuto等人的“A New ExtrapolationTechnique for Resolution Enhancement of Pulse-Echo Imaging Systems”(IEEETrans.Ult.,Ferroelec.,and Freq.Control.,vol.49,no.3(March 2002))。该文章提出了外推不同孔径尺寸(即，不同数量的换能器元件)的两幅图像的像素值以产生具有改进的分辨率的得到的图像。然而，所描述的技术经受具有非期望伪影的图像的产生，并且能够产生具有诸如超声的相干成像模态中固有的散斑伪影的非预期增强的图像。
发明内容
本发明的***和方法通过外推来提供图像改进而不创建新的图像伪影，并且其考虑超声成像的散斑伪影特性。
根据本发明的原理，超声图像的分辨率或对比度通过不同成像特性(诸如孔径尺寸、成像频率或图像复合的程度)的两幅超声图像的外推来改进。为了防止图像伪影的显示，外推伴随有伪影移除和图像平滑。
在某些方面中，用于产生外推图像的***包括：换能器阵列探头；以及一个或多个处理器，其与所述换能器阵列探头通信。所述一个或多个处理器被配置为执行以下步骤中的一项或多项：将由所述换能器阵列探头接收的信号分到不同成像特性的两个成像信号路径中；针对不同成像特性的图像从每个成像信号路径对信号进行波束形成；产生不同成像特性的超声图像；通过所述超声图像的外推预测图像；从外推图像移除伪影；执行外推图像的散斑的平滑；并且显示通过外推预测的最终图像。
在另外的方面中，用于产生外推图像的***包括：换能器阵列探头；信号分离器，其适于将由所述换能器阵列探头接收的信号分到不同成像特性的两个成像信号路径中；波束形成器，其被耦合到每个成像信号路径中的所述信号分离器，所述波束形成器适于针对不同成像特性的图像对信号进行波束形成；图像处理器，其被耦合到每个成像信号路径中的所述波束形成器，并且被配置为产生不同成像特性的超声图像；外推器，其被耦合到所述图像处理器，并且适于通过所述超声图像的外推预测图像；伪影滤波器，其被耦合到所述外推器，并且适于从外推图像移除伪影；散斑滤波器，其被耦合到所述伪影滤波器，并且适于执行外推图像的散斑的平滑；以及显示器，其被耦合到所述散斑滤波器，并且适于显示通过外推预测的最终图像，应理解一个或多个处理器可以被用于执行例如波束形成器、外推器、伪影滤波器、散斑滤波器和信号分离器的过程。
附图说明
在附图中：
图1以方框图形式图示了根据本发明的原理配置的超声***。
图2a和2b图示了适合于产生不同孔径尺寸的图像的两个变迹函数。
图3a和3b图示了适合于产生不同成像频率的图像的两个滤波器特性。
图4图示了根据本发明的可以被用于产生空间滤波的图像的9元素内核。
具体实施方式
首先参考图1，以方框图形式示出了根据本发明的原理构建的超声成像***。换能器阵列12被提供在超声探头10中，以用于发射超声波和接收回波信息。换能器阵列12可以是能够在二维或三维中(例如，在仰角(在3D中)和方位角两者上)进行扫描的换能器元件的一维或二维阵列。换能器阵列12被耦合到探头中的任选的微波束形成器14，微波束形成器14控制由阵列元件对信号的发射和接收。在由当被如此装备的微波束形成器或由1D阵列使用的单独发射波束形成器(未示出)控制的发射特性之中的是发射波形的数量、方向、间距、幅度、相位、频率、极性和分集。沿波束发射的方向形成的波束可以从换能器阵列前面径直或以在未转向波束的任一侧面上的用于更宽扇形视场的不同角度被转向。对于一些应用，未聚焦的平面波可以被用于发射。另一成像技术是发射并从发散的发射波接收回波。相对小的阵列长度(例如，128元件阵列)的大多数1D阵列探头不使用微波束形成器，而是从主***波束形成器驱动并且直接对主***波束形成器作出响应。微波束形成器能够对由换能器元件的组或“片块”接收的信号进行至少部分波束形成，如在美国专利US 5997479(Savord等人)、US 6013032(Savord)和US 6623432(Powers等人)中描述的。
在图1的***中，探头10被耦合到两个信号分离器电路，信号分离器#1和信号分离器#2。信号分离器使得由探头10接收的回波信号以不同的方式被处理，从而产生不同成像特性的两幅图像。例如，信号分离器能够包括变迹电路，所述变迹电路将不同的变迹加权应用于从阵列12的元件接收的回波信号，如通过图2a和2b图示的。图2a图示了用于n个换能器元件的阵列的变迹函数50；例如，“n”可以是64个元件。变迹函数50利用1的权重对全孔(所有n个元件)进行加权。图2b的变迹函数52产生来自n个换能器元件的信号的更小孔。如函数52图示的，全孔的第一“x”个元件和全孔的最后“x”个元件具有0的权重；中心元件具有1的权重。例如，函数50将提供来自全64元件孔的一组信号，并且如果x等于8，那么函数52将提供来自阵列的中心48个元件的一组信号。经过这些不同变迹函数的信号然后用于产生两幅不同的图像，一幅来自64元件孔而另一个来自48元件孔。
图3a和3b图示了信号分离器可以采取的另一形式，其要提供不同频率的信号组以用于成像。在这些附图中，曲线60表示换能器元件的全频带。在图3a中，仅全频带的上部分经过信号分离器中的一个，如由居中在高频率fH处的曲线62示出的。在图3b中，仅全频带的下部分经过另一个信号分离器，如由附图中的曲线64示出的。因此，当用作高通或低通滤波器时，两个信号分离器将导致高频图像和低频图像的产生。区分两幅图像的频率的另一方式将是允许一个信号分离器经过信号频率的全带宽60，并且限制另一个信号分离器仅经过全带的有限中心部分，因此导致宽带宽图像和窄带宽图像的产生。
经过两个信号分离器18a和18b的回波信号组通过适当地延迟它们并且然后在波束形成器20a和20b中组合它们而并行地波束形成。由微波束形成器14从每个片块产生的部分波束形成信号被耦合到波束形成器20a和20b，其中，来自换能器元件的个体片块的部分波束形成信号被组合成完全波束形成相干回波信号，或在没有微波束形成器的情况下来自一维阵列的元件的回波信号被延迟并组合。每个波束形成器包括被耦合到求和器24a和24b的延迟22a和22b。在由变迹函数50和52产生的变迹信号的情况下，来自全孔的信号将由22a的n个延迟适当地延迟，然后在24a中被相干地求和，并且22b的m个延迟将延迟更窄孔x的信号通过n-x，其中，m等于n-2x。m个延迟的回波信号然后在24b中相干地求和。在如图3a和3b中图示的频率区分的情况下，m和n将是相等的，因为其是频率，而不是孔径尺寸，孔径尺寸是有区分成像特性。
两个成像信号路径的相干回波信号然后可以经历如通过空间或频率复合的信号处理，诸如噪声滤波或噪声减少。两个信号路径中的回波信号然后由检测器26a和26b检测，检测器26a和26b可以用作幅度(包络)检测器。检测到的成像信号然后通过对数压缩器28a和28b进行对数压缩，对数压缩器28a和28b可以被构建为将信号值转换为显示值的更诊断对数范围的查找表。两个路径的信号然后通过图像处理器30b和30a形成为相应的图像。图像处理器可以包括扫描转换器和图像存储器，其以期望的显示格式(诸如扇形或矩形形式)布置接收的信号，然后存储它们以用于进一步处理。
根据本发明的原理，由图像处理器30b和30a产生的图像被像素强度外推器32处理，以外推增强的图像。继续之前的范例，外推器32能够处理由48个换能器元件产生的图像以及由64个换能器元件产生的图像，以预测将由128元件的阵列产生的图像值。由48个换能器元件产生的图像I1和由64个换能器元件产生并且因此应当是更好图像的图像I2被用于产生图像Ip(被预测为由甚至更大数量的换能器元件产生的图像)。由N1数量的元件产生的图像与由N2数量的元件产生的图像一起用于预测用于来自Np个元件的图像的值，其中，N1<N2<Np。类似地，利用f1的成像频率获得的图像和利用f2的成像频率获得的另一图像能够被用于预测fp的成像频率处的图像将会看起来如何，其中，f1<f2<fp。在平面波成像和发散波成像的情况下，如果N2平面/分散波被使用，能够形成具有相干地复合的N1平面/分散波的图像和具有相干地复合的N2平面/分散波的另一图像并且预测具有相干地复合的Np平面/分散波的图像将会看起来像什么，其中，N1<N2<Np。
外推器32能够操作为执行线性或非线性(二次)外推。外推器32能够操作为通过利用以下方程式处理图像I1和I2的图像值而产生在x和y图像坐标中的二维预测图像
Figure BDA0002942802700000051
其中，I1(x，y)和I2(x，y)分别是利用参数N1和N2获得的两幅图像。取决于该方程式被用于的特定的区分特性，参数N1和N2能够在孔(孔径尺寸)、成像频率或相干地复合的平面或分散波的数量方面表示元件的数量。
任何外推技术简单地试图基于利用输入图像的可用数据观察到的趋势进行预测。通过外推不易受准确预测影响的超声的特性是由声学信号的相干性质引起的图像散斑。由于散斑的随机性质，散斑区域中的趋势常常不是足够可靠以用于预测后续的改进的图像，特别是当简单的外推方案被使用时。因此，尤其是如果Np比N1和N2大得多，散斑区域中的图像伪影是不可避免的。
为了避免这样的图像伪影并且增加技术的鲁棒性，几个额外的步骤是必要的。无伪影图像Ip’通过在逐个像素的基础上获取两幅图像I2(x，y)和预测的图像Ip(x，y)的最小值并且然后迫使任何负值为0来获得。伪影滤波器34在图1的***中通过执行以下方程式来执行该操作：
Ip′(x，y)＝max[min{I2(x，y)，Ip(x，y)}，0]
这校正作为错误预测的结果而变为修剪或从图像值(例如，0至255)的灰度范围中消失的任何像素强度值，同时确保图像质量决不从参考图像I2(x，y)退化。I2图像是初始可用的最好图像质量的图像。这是因为给定I2图像的波束比I1的波束更低的旁瓣，其成像参数N2好于I1的成像参数；更好的图像呈现更窄的点扩散函数。减小的旁瓣捕获比I1的更大旁瓣更少的不期望的离轴声学能量，并且因此I2图像信号将比I1的图像信号更不明亮(在幅度方面更低)。如果Ip图像值具有比I2图像值甚至更好的质量，则其将由于甚至更低的旁瓣而呈现甚至更低的信号水平，并且通过min算子被选择用于Ip’，但是如果不是的话，则I2图像值通过前述方程式被选择用于Ip’。max算子避免范围外的负图像值的包括。
散斑滤波器36然后使用I2和Ip’的值产生用于显示图像I最终的值。散斑滤波器36提供对图像散斑的平滑，使得由于外推的散斑方差和图像亮度的任何变化被调节以匹配原始图像而不损害来自外推技术的益处。用于产生从不同孔径尺寸的图像外推的具有改进的分辨率的最终图像的合适散斑滤波器是
I最终＝LPF(I2)+Dp’
其中，I2是两幅原始图像中的更好的；Ip’是由伪影滤波器34产生的无伪影的预测图像；并且Dp’是包含Ip’的散斑内容的大部分的“细节”图像。Dp’通过获取以下的差异而产生：
Dp′＝Ip′-LPF(Ip′)
LPF(Ip’)是被计算为图像Ip’的空间低通滤波形式的“近似”图像。在图4中概念地图示了适合于在本发明的实施方式中使用的简单空间低通滤波器。该图示表示用于空间地处理输入图像I的9个连续图像元素的9元素内核70。用于近似图像A的图像值通过加权并求和输入图像Ip’的8个周围图像值和中心图像值而在内核的中心位置IA处计算。数学地，该过程能够被表达为：
Figure BDA0002942802700000071
即，内核的9个图像元素中的每个通过
Figure BDA0002942802700000072
加权，并且内核的加权值然后被求和以计算Ip’的近似图像值。这样的值的近似图像因此将主要包含图像的低空间频率结构信息。尽管该简单范例仅对9个图像元素的小局部图像区域进行操作，但是优选的内核尺寸通常将会是显著更大的，优选地足够大以涵盖包含宽(并且优选地全)范围的散斑值的输入图像元素。因此，散斑范围能够被包含在图像“细节”值Dp’中，其能够被计算为针对每个图像元素位置的输入图像Ip’与近似图像LPF(Ip’)之间的差异。
以类似的方式，I2图像被分解成I2图像的散斑细节不存在于的空间低通滤波的近似图像LPF(I2)，因为
D2＝I2-LPF(I2)
因此，散斑滤波器使用空间低通滤波来将I2图像和Ip’图像两者分解成包含主要结构信息的近似图像和包含图像散斑细节的细节图像。分解的图像的项然后被用于产生用于显示的最终图像I最终。
总之，散斑滤波器36的操作是首先将原始参考图像I2和无伪影的预测图像Ip’两者分解成其相应的低分辨率和细节分量，并且然后通过组合I2的低分辨率近似图像分量和Ip’的细节分量来重建最终图像。以这种方式，能够受益于Ip’中的增强分辨率同时保留来自I2的平滑性。由散斑滤波器产生的最终图像I最终被耦合到显示处理器38以显示在图像显示器40上。
上面描述的如之前提到的散斑滤波器36的操作产生从不同孔径尺寸的输入图像外推的具有增强的横向图像分辨率的最终图像。在频率区分的输入图像和在复合的程度上区分的相干复合平面/分散波图像的情况下，目的是实现改进的图像对比度，而不是改进的横向分辨率。Ip’图像的改进的对比度被包含在其低空间频率分量中，并且因此由散斑滤波器36所执行的方程式是
I最终＝LPF(Ip’)+D2
其使用Ip’图像的分解的近似图像LPF(Ip’)和I2图像的散斑细节。
本发明人已经发现，当有区分性图像属性N的大增量被使用时，外推图像的预测越发不准确。当使用接近最终外推图像的增加时，产生更好质量的外推图像。例如，假设开始图像在孔径尺寸方面区分，其中，I1具有N1＝40个元件，并且I2具有N2＝48个元件。这些开始图像可以用来直接外推具有N3＝128个元件的图像。然而，直接到128元件的孔的预测的准确性会是低的。替代地，图1中示出的外推过程以小间隔被迭代地应用。例如，具有N1＝40个元件的I1和具有N2＝48个元件的I2能够用于获得具有N3＝56个元件的I3。然后I2和I3能够用于获得具有N4＝64个元件的I4，等等，直至我们获得具有Np＝128个元件的Ip。使用该更小增量方法，新的图像以开始与最终图像属性中间的小增量进行预测，使得预测准确度被改进并且因此伪影被减少。预测图像I3…Ip也能够被平均以进一步增强技术的鲁棒性。
本领域技术人员将容易想到上面描述的发明外推技术的其他变型。例如，外推图像并且避免过程中的伪影的另一方式是仅外推无散斑的开始图像。如从上面看到的，通过低通空间滤波产生的近似图像已经移除散斑细节的许多，并且能够被用于该目的。已经被发现在移除超声图像的散斑内容时特别有效的滤波器是Lee滤波器，其采用通过局部散斑方差决定的选择性空间低通滤波。如果要被滤波的像素的局部区域内的散斑方差高，假设组织或血池边缘存在于该区域中并且滤波不被执行。但是如果该区域的散斑方差低，假设该区域由散斑污染的组织的同质区组成并且滤波被执行。在开始图像通过Lee滤波器空间地滤波以实质上移除散斑细节之后，散斑被移除的开始图像被用于外推预测图像。散斑细节D2在外推过程结束时被添加到预测图像。
应注意，适于使用在本发明的实施方式中的超声***并且特别地图1的超声***的部件结构可以以硬件、软件或其组合实施。超声***的各种实施例和/或部件或其中的部件和控制器也可以被实施为一个或多个计算机或微处理器的部分。计算机或者处理器可以包括计算设备、输入设备、显示单元和接口，例如以用于访问因特网。计算机或者处理器可以包括微处理器。微处理器可以被连接到通信总线，例如，以访问PACS***或者数据网络以用于导入训练图像。计算机或者处理器还可以包括存储器。存储器设备(诸如图像处理器30a和30b中包含的存储器设备)可以包括随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。计算机或处理器还可以包括存储设备，其可以是硬盘驱动器或可移除存储驱动器，诸如软盘驱动器、光盘驱动器、固态拇指驱动器等。存储设备还可以是用于将计算机程序或其他指令加载到计算机或处理器中的其他类似模块。
如本文所使用的，术语“计算机”或“模块”或“处理器”或“工作站”可以包括任何基于处理器或基于微处理器的***，包括使用微控制器、精简指令集计算机(RISC)、ASIC、逻辑电路以及能够执行本文所述功能和方程式的任何其他电路或处理器的***。以上范例仅是示范性的，并且因此无意以任何方式限制这些术语的定义和/或含义。
计算机或处理器执行存储在一个或多个存储元件中的指令集，以便处理输入数据。存储元件还可以按照期望或根据需要存储数据或其他信息。存储元件可以是在处理机器内的信息源或物理存储器元件的形式。
包括如上所述的那些控制超声图像的采集、处理和显示的指令的超声***的指令集可以包括各种命令，这些命令指示作为处理机器的计算机或处理器执行特定的操作，例如本发明的各种实施例的方法和过程。指令集(尤其是执行如上所述的用于像素强度外推器、伪影滤波器和散斑滤波器的方程式的那些指令集)可以是软件程序的形式。该软件可以采用各种形式，例如***软件或应用软件，并且可以体现为有形且非瞬态的计算机可读介质。此外，软件可以采取单独的程序或模块(诸如发送控制模块)的集合、在较大程序内的程序模块或程序模块的部分的形式。软件还可以包括面向对象编程形式的模块化编程。处理机器对输入数据的处理可以响应于操作员命令，或者响应于先前处理的结果，或者响应于另一处理机器的请求。
此外，对以下权利要求的限制不以模块加功能的格式写出，并不旨在基于35U.S.C.112、第六段来进行解释，除非和直到这样的权利要求限制明确地使用短语“用于…的模块”，之后是对没有进一步结构的功能的说明。

Claims (16)

1.一种产生外推图像的超声成像***，包括：
换能器阵列探头；以及
一个或多个处理器，其与所述换能器阵列探头通信，所述处理器被配置为：
将由所述换能器阵列探头接收的信号分离到不同成像特性的两个成像信号路径中；
针对不同成像特性的图像从每个成像信号路径对信号进行波束形成；
产生不同成像特性的超声图像；
通过对所述超声图像的外推来预测图像；
从外推图像移除伪影；
执行对外推图像的散斑的平滑；并且
显示通过外推预测的最终图像。
2.一种产生外推图像的超声成像***，包括：
换能器阵列探头；
信号分离器，其适于将由所述换能器阵列探头接收的信号分离到不同成像特性的两个成像信号路径中；
波束形成器，其被耦合到每个成像信号路径中的所述信号分离器，所述波束形成器适于针对不同成像特性的图像对信号进行波束形成；
图像处理器，其被耦合到每个成像信号路径中的所述波束形成器并且被配置为产生不同成像特性的超声图像；
外推器，其被耦合到所述图像处理器并且适于通过对所述超声图像的外推来预测图像；
伪影滤波器，其被耦合到所述外推器并且适于从外推图像移除伪影；
散斑滤波器，其被耦合到所述伪影滤波器并且适于执行对外推图像的散斑的平滑；以及
显示器，其被耦合到所述散斑滤波器，并且适于显示通过外推预测的最终图像。
3.根据权利要求2所述的超声成像***，其中，所述外推器还适于通过对由以下各项中的一项或多项区分的超声图像的外推来预测图像：孔径尺寸、成像频率或者平面波或分散波复合的程度。
4.根据权利要求2所述的超声成像***，其中，所述成像信号路径各自还包括检测器和对数压缩器。
5.根据权利要求2所述的超声成像***，其中，所述信号分离器还包括第一信号分离器和第二信号分离器，所述第一信号分离器和第二信号分离器适于将由所述换能器阵列探头接收的回波信号分离到不同成像特性的回波信号的第一集合和第二集合中。
6.根据权利要求5所述的超声成像***，其中，所述信号分离器还包括变迹电路，所述变迹电路适于将不同变迹函数应用于接收到的回波信号。
7.根据权利要求6所述的超声成像***，其中，所述变迹函数适于针对不同孔径尺寸的图像提供来自不同数量的换能器元件的信号。
8.根据权利要求5所述的超声成像***，其中，所述信号分离器还包括高通滤波器和低通滤波器，所述高通滤波器和所述低通滤波器适于提供不同成像频率的信号。
9.根据权利要求5所述的超声成像***，其中，所述信号分离器还包括宽带通滤波器和窄带通滤波器，所述宽带通滤波器和所述窄带通滤波器适于提供不同成像频率的信号。
10.根据权利要求2所述的超声成像***，其中，所述伪影滤波器还适于利用由所述外推器使用的所述超声图像中的一幅和外推图像的值的最小值来产生预测图像。
11.根据权利要求10所述的超声成像***，其中，所述伪影滤波器还适于避免范围外的信号被包括在显示的最终图像中。
12.根据权利要求2所述的超声成像***，其中，所述散斑滤波器还适于通过空间低通滤波将外推图像和由所述外推器使用的图像分解成低分辨率图像和包含散斑的细节图像。
13.根据权利要求12所述的超声成像***，其中，所述散斑滤波器还适于产生包含由所述外推器使用的图像的低分辨率图像分量和来自通过外推预测的图像的图像细节的最终图像。
14.根据权利要求12所述的超声成像***，其中，所述散斑滤波器还适合于产生包含通过外推预测的图像的低分辨率图像分量和来自由所述外推器使用的图像的图像细节的最终图像。
15.根据权利要求2所述的超声成像***，其中，所述外推器还适于通过对开始超声图像的外推来预测中间预测图像，并且使用至少一幅中间预测图像通过外推来预测最终预测图像。
16.根据权利要求2所述的超声成像***，其中，所述外推器还适于外推不同成像特性的两幅图像，散斑特性已经实质上从所述两幅图像移除。
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