TWI702035B - 超音波成像裝置及其成像方法 - Google Patents

Abstract

一種超音波成像裝置，包括一超音波產生單元以及一超音波成像處理單元。超音波產生單元重複多次選擇性地開啟超音波探頭M個中的N個超音波陣元，作為一陣元群以進行掃描，每次掃描由陣元群發射一超音波訊號並接收此超音波訊號的一回波訊號。超音波成像處理單元於每次接收到的回波訊號中擷取其中之一中央回波訊號，以組成一通道訊號，並根據各回波訊號的到達時間，以對此通道訊號中各中央回波訊號進行延遲加總，以產生一修正通道訊號，將此修正通道訊號進行影像合成處理，以得到一超音波影像。

Description

超音波成像裝置及其成像方法

本揭露是有關於一種成像裝置及其成像方法，且特別是有關於一種超音波成像裝置及其成像方法。

在超音波合成影像的技術上，有兩個主要影響影像品質的關鍵，其中之一為聚焦成像時的相位偏移(phase aberration)產生的延遲誤差，其二是超音波孔徑大小（aperture size）。延遲誤差會提高超音波成像的波束旁瓣，進而造成超音波聚焦及影像品質的下降。超音波孔徑大小，即超音波探頭的陣元數量，會影響超音波影像的解析度，且陣元數量越多，成本越高，運算量也越大。

然而，在醫用超音波中，為了有足夠的成像品質來提供正確的臨床診斷與分析，超音波成像的硬體設備無法進一步簡化。若將醫用超音波影像設備簡化成省電、可攜式的超音波成像裝置時，由於探頭陣元的數目減少、硬體運算量就會降低，而影響超音波成像品質，因此提高影像解析度與簡化硬體設備，常需有所取捨。

本揭露係有關於一種超音波成像裝置及其成像方法，藉由減少聚焦超音波發射源的方式，能有效減少超音波發射時的能量損耗與硬體負擔，以達到省電、可攜式且具有高解析度影像的效果。

根據本揭露之一方面，提出一種超音波成像裝置，包括一超音波產生單元以及一超音波成像處理單元。超音波產生單元包括一超音波探頭、一發射單元以及一接收單元，超音波探頭連接至發射單元以及接收單元，超音波探頭包括M個超音波陣元，超音波產生單元重複多次選擇性的開啟超音波探頭中的N個超音波陣元，作為一陣元群以進行掃描，每次掃描由陣元群發射一超音波訊號並接收此超音波訊號的一回波訊號，其中M大於N，M、N為大於1的正整數。超音波成像處理單元於每次接收到的回波訊號中擷取其中之一中央回波訊號，以組成一通道訊號，並根據回波訊號的到達時間，以對此通道訊號中每一個中央回波訊號進行延遲加總，以產生一修正通道訊號，將此修正通道訊號進行影像合成處理，以得到一超音波影像。

根據本揭露之一方面，提出一種超音波成像方法，包括下列步驟。重複多次選擇性地開啟超音波探頭中的N個超音波陣元作為一陣元群以進行掃描，每次掃描由陣元群發射一超音波訊號並接收此超音波訊號的一回波訊號。於每次接收到的回波訊號中擷取其中之一中央回波訊號，以組成一通道訊號。計算各中央回波訊號的到達時間，以對此通道訊號中各中央回波訊號進行延遲加總，以產生一修正通道訊號。將此修正通道訊號進行影像合成處理，以得到一超音波影像。

為了對本揭露之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：

以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本揭露欲保護之範圍。以下是以相同/類似的符號表示相同/類似的元件做說明。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考所附圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本揭露。

依照本揭露之一實施例，提出一種超音波成像裝置，如第1圖所示，超音波成像裝置100包括一超音波產生單元110以及一超音波成像處理單元120。超音波產生單元110例如包括一超音波探頭111、一發射單元114、一接收單元116、一處理器（圖未繪示）等組件。超音波探頭111例如是線性陣列的探頭、相位陣列的探頭或其他型態的探頭。超音波探頭111包含多個超音波陣元112，每一個超音波陣元112為一個轉能器，用以將發射單元114內高電壓脈衝通道輸出的脈衝電壓訊號，轉換成機械震盪的超音波，並傳送超音波至組織內部。此外，處理器控制每個通道的脈衝電壓訊號的發射時間，以產生不同發射時間的超音波訊號Tx。

此外，超音波陣元112可接收組織內部散射子反射超音波產生的回波訊號Rx，並轉換成脈衝電壓訊號至接收單元116，以得到一通道訊號。當超音波入射波長遠大於組織內部散射子的直徑時，會發生超音波的散射現象，而逆散射訊號會在超音波影像中出現隨機明暗斑狀的亮點，這就是所謂的光斑雜訊(speckle noise)。光斑雜訊及旁波瓣（side lobe）的存在模糊了細微構造的影像，降低了超音波影像的對比度與解析度。

為了減少硬體運算量，在本實施例中，超音波產生單元110先根據目標區域位置，調整超音波孔徑大小，即調整超音波探頭中的超音波陣元112開閉的數目與位置，以減少超音波發射源的數量。之後，超音波成像處理單元120再從每組的超音波的回波訊號Rx中擷取其中一個回波訊號，以進行波束合成（beamforming），並利用波束合成後的一組通道訊號重建出超音波影像。

本實施例之超音波產生單元110由於不需將超音波探頭中的全部陣元112都開啟，因此可降低超音波發射能量，達到省電的功效。此外，本實施例之超音波成像處理單元120可用低資料量（每次僅擷取其中之一中央回波訊號）來進行影像處理，避免複雜的運算過程，因此可使硬體運算量降低，並可應用在可攜式的超音波成像裝置上。

請參照第1圖，依照本揭露之一實施例，超音波成像裝置100包括一超音波產生單元110以及一超音波成像處理單元120。超音波產生單元110包括一超音波探頭111、一發射單元114以及一接收單元116。超音波探頭111連接至發射單元114以及接收單元116，其包含M個超音波陣元112，超音波產生單元110重複多次選擇性地開啟超音波探頭111中的N個超音波陣元112作為一陣元群以進行掃描，每次掃描由陣元群發射一超音波訊號Tx並接收此超音波訊號Tx的一回波訊號Rx。其中，M大於N，M、N為大於1的正整數。在一實施例中，M例如為128個，N例如為3至5個，但M、N數量不限。

也就是說，超音波產生單元110每次從128個陣列中選出不同位置的3至5個超音波陣元112組成的一陣元群，由所選陣元群發射一超音波訊號Tx及接收此超音波的回波訊號Rx，以進行掃描來偵測成像點的位置。當N的數量增加時，回波訊號Rx的亮度可相對較高，然而，當N的數量過多時，回波訊號Rx過於複雜、不易聚焦且雜訊過多，反而會造成影像解析度下降。

超音波成像處理單元120用以處理接收到的多個超音波訊號Tx的回波訊號Rx。請一併參照第1及2圖，其中第2圖繪示依照本揭露一實施例的超音波成像方法的流程示意圖，包括下列步驟S11-S14。在步驟S11中，超音波產生單元110重複多次選擇性地開啟超音波探頭111中的N個超音波陣元112作為一陣元群Ai以進行掃描，每次掃描由該陣元群發射一超音波訊號Tx並接收此超音波訊號Tx的回波訊號Rx。在步驟S12中，於每次接收到的回波訊號Rx中擷取其中之一中央回波訊號Rc，以組成一通道訊號。在步驟S13中，根據各中央回波訊號Rc的到達時間，以對此通道訊號中各個中央回波訊號Rc進行延遲加總，以產生一修正通道訊號。在步驟S14中，將修正通道訊號進行影像合成處理，以得到一超音波影像。

請參照第3A圖，在一實施例中，超音波產生單元110中的超音波探頭111包括M個超音波陣元112，在進行單次掃描時，從M個超音波陣元112中選擇性地開啟連接至發射單元114的N個超音波陣元112，所選的N個超音波陣元112可組成一陣元群Ai，其餘未被選擇的M-N個超音波陣元112會被關閉不啟動。在單一陣元群Ai中，每個超音波陣元112的發射時間可相同或不同，當每個超音波陣元發射時間相同時，可產生平面波；當每個超音波陣元112的發射時間不同時，可產生具有聚焦效果的超音波，藉由相同或不同發射時間來產生具有不同效果的超音波訊號Tx。此外，當陣元群Ai產生超音波訊號Tx時，可由同一陣元群Ai(即N個超音波陣元112)對應接收超音波訊號Tx的回波訊號Rx。在另一實施例中，亦可在陣元群Ai產生超音波訊號Tx時，僅由同一陣元群Ai(即N個超音波陣元112)的中間部分超音波陣元112接收超音波訊號Tx的回波訊號Rx，並不以所列舉者為限。

接著，請參照第3A至3D圖，以每一陣元群Ai含有3個超音波陣元112(即N=3)為例，在進行第一次掃描時，從M個超音波陣元112中選擇性地開啟最左側的3個超音波陣元112作為第一陣元群A1，並發射第一組超音波訊號Tx，當超音波訊號Tx傳遞至物體點B時會被散射而產生回波訊號Rx，並由第一陣元群x1接收。接著，第二次掃描時，選擇開啟的3個超音波陣元112可由第一陣元群A1向右移動一個超音波陣元112，即在進行第二次掃描時，從M個超音波陣元112中選擇性地開啟最左側的第二至四個超音波陣元112作為第二陣元群A2，當第二陣元群A2產生第二組超音波訊號Tx時，可由第二陣元群A2對應接收第二組超音波訊號Tx的回波訊號Rx；第i次掃描時，第i陣元群Ai產生的第i組超音波訊號Tx，可由第i陣元群Ai對應接收第i組超音波訊號Tx的回波訊號Rx，其中i=1~P，P可為小於M的正整數。因此，經過P次的發射與接收之後，總共可得到P組超音波訊號Tx的回波訊號Rx。

在本實施例中，每發射完一組超音波訊號Tx之後（即每次掃描），可依序移動至少一個超音波陣元112，作為下一次掃描的陣元群Ai，直到所有M個陣元112都發射完成為止。要注意的是，每次掃描移動的超音波陣元112的數量可以視需求而調整，並不以所列舉者為限。如第3A至3B圖所示，依序發射超音波訊號Tx的兩陣元群A1、A2的位置例如相隔一個超音波陣元112的寬度本揭露，在另一實施例中，依序發射超音波訊號Tx的兩陣元群的位置亦可相隔二個或二個以上超音波陣元112的寬度。

當第i陣元群Ai接收到第i組超音波訊號Tx的回波訊號Rx時，超音波成像處理單元120從第i組超音波訊號Tx的回波訊號Rx中擷取其中之一中央回波訊號Rc。例如，當N為奇數（例如3或5個）時，中央回波訊號Rc係取自陣元群Ai之正中央的超音波陣元112接收的回波訊號Rx，即以陣元群Ai中第(1+N)/2個超音波陣元112接收的回波訊號Rx作為中央回波訊號Rc。當N為偶數（例如4個）時，中央回波訊號Rc係取自陣元群Ai之中央的二個超音波陣元112接收的回波訊號Rx之平均，即陣元群Ai中第1+(N-1)/2個及第1+(N+1)/2個超音波陣元112接收的回波訊號Rx之平均，以做為中央回波訊號Rc。在一實施例中，超音波產生單元110可由同一陣元群Ai進行同一次的發射超音波訊號Tx與接收對應產生的回波訊號Rx，之後再由超音波成像處理單元120擷取中央回波訊號Rc。在另一實施例中，於每次的掃描中，超音波產生單元110由一陣元群Ai進行發射超音波訊號Tx，但僅由同一陣元群Ai中的中間超音波陣元112進行回波訊號Rx的接收，當N為奇數時，中間（即第(1+N)/2個）超音波陣元112所接收到的回波訊號Rx即可作為中央回波訊號Rc；而當N為偶數時，中間（即第1+(N-1)/2個及第1+(N+1)/2個）超音波陣元112所接收到的回波訊號Rx先在超音波成像處理單元120平均後，才可作為中央回波訊號Rc。超音波成像處理單元120可將每次擷取的中央回波訊號Rc組成一通道訊號，其中此通道訊號中被擷取的中央回波訊號Rc的數量可為P個。

請參照第4圖，在一實施例中，超音波成像處理單元120包括一類比-數位轉換器122、一時間差補償電路124、一加總電路126以及一影像合成單元128。超音波成像處理單元120擷取每次掃描的中央回波訊號Rc以組成通道訊號，由於通道訊號為類比訊號，故超音波成像處理單元120可利用類比-數位轉換器122將此通道訊號轉換成數位通道訊號。此外，由於通道訊號轉換成數位通道訊號後會有取樣數不足（P＜M）的問題，因此可先使用內插（interpolation）的方式增加超音波陣元112取樣數，以使數位通道訊號的數量達到M個。時間差補償電路124用以接收轉換後的數位通道訊號，再根據各個中央回波訊號Rc的到達時間τ ₁～τ _M及時間差，得到各個中央回波訊號Rc的一補償值。加總電路126根據補償值對此通道訊號中每一個中央回波訊號Rc進行延遲加總（delay and sum），以得到延遲加總後的一修正通道訊號。之後，影像合成單元128根據此修正通道訊號合成波束並進行影像合成處理（synthesis process），以得到一超音波影像。

超音波陣列探頭如何在空間中合成一個特定的點，以擷取的訊號利用發射與接收的距離計算，推算出各個陣元的延遲時間差異，然後加總後，便可以得到空間中點的影像。這種合成影像的方式稱為延遲加總。如第5圖所示，以扇形掃描模式的超音波而言，空間中任何一點的影像皆可以用極座標（R, θ）表示。假設Si為第i個陣元群Ai所接收並擷取到的中央回波訊號Rc，O(t)為延遲加總後的影像。

τ（xi, R, θ）為超音波訊號Tx經物體點B的散射後，中央回波訊號Rc由物體點B到達陣元群Ai的時間，即τ1～τM，其中xi為陣元群Ai的中央超音波陣元112到中心線L的垂直距離，R為物體點B到通過中心線L上的超音波陣元112的距離，θ為線段R與中心線L的夾角，其計算如下所示，c為光速：

在菲涅耳場區中，τ（xi, R, θ）可簡化如下：

在本實施例中，由於在每次掃描中擷取中央回波訊號Rc作為通道訊號，故對每一個陣元群Ai的中央超音波陣元112來說，可視為當次的超音波訊號Tx發射至物體點B後以中央回波訊號Rc回到中央超音波陣元112，訊號的來回具有相同路徑，超音波訊號Tx發射時間與回波訊號Rc接收時間相同，皆為τ（xi, R, θ），因此第i個陣元群Ai之中央超音波陣元112接收到中央回波訊號Rc的延遲時間為2倍的τ（xi, R, θ），表示如下：

根據上述的計算結果，時間差補償電路124即可得知通道訊號中各個中央回波訊號Rc的延遲時間，以供加總電路126進行延遲加總。

本揭露上述實施例所揭露之超音波成像裝置及其成像方法中，利用超音波線性掃描的方式，發射一超音波訊號並接收此超音波訊號的回波訊號，再從每一回波訊號中取出中央回波訊號，以作為通道訊號。接著，利用改善過後的延遲加總(delay and sum)之時域訊號處理方法，以提昇超音波成像之影像品質。本揭露以上述的實施方式進行超音波成像，可降低超音波發射能量，達到省電、可攜帶、減少硬體運算量、降低成本及提高安全性等功效，且本揭露還可使用影像的權重技術，能夠有效降低光斑雜訊(speckle noise)並提昇側向解析度(lateral resolution)。

綜上所述，雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100：超音波成像裝置 110：超音波產生單元 111：超音波探頭 112：超音波陣元 114：發射單元 116：接收單元 120：超音波成像處理單元 122：類比-數位轉換器 124：時間差補償電路 126：加總電路 128：影像合成單元 A1、A2、Ai、Ap：陣元群 B：物體點 Tx：超音波訊號 Rc：中央回波訊號 Rx：回波訊號 θ：夾角 R：距離L：中心線 S11-S14：流程步驟

第1圖繪示依照本揭露一實施例的超音波成像裝置的示意圖。 第2圖繪示依照本揭露一實施例的超音波成像方法的流程示意圖。 第3A至3D圖分別繪示依照本揭露一實施例的超音波產生單元的操作示意圖。 第4圖繪示超音波成像處理單元的示意圖。 第5圖繪示各個中央回波訊號的延遲時間的示意圖。

S11-S14：步驟

Claims (14)

1. 一種超音波成像裝置，包括： 一超音波產生單元，包括一超音波探頭、一發射單元以及一接收單元，該超音波探頭連接至該發射單元以及該接收單元，該超音波探頭包括M個超音波陣元，該超音波產生單元重複多次選擇性地開啟該超音波探頭中的N個超音波陣元，作為一陣元群以進行掃描，每次掃描由該陣元群發射一超音波訊號並接收該超音波訊號的一回波訊號，其中M大於N，M、N為大於1的正整數；以及 一超音波成像處理單元，於每次接收到的該回波訊號中擷取其中之一中央回波訊號，以組成一通道訊號，並根據該回波訊號的到達時間，以對該通道訊號中每一該中央回波訊號進行延遲加總，以產生一修正通道訊號，將該修正通道訊號進行影像合成處理，以得到一超音波影像。
2. 如申請專利範圍第1項所述之超音波成像裝置，其中N為奇數時，該中央回波訊號係取自該陣元群之正中央的該超音波陣元接收的該回波訊號。
3. 如申請專利範圍第1項所述之超音波成像裝置，其中N為偶數時，該中央回波訊號係取自該陣元群之中央的二個該超音波陣元接收的該回波訊號之平均。
4. 如申請專利範圍第1項所述之超音波成像裝置，其中每次掃描發射完該超音波訊號後，依序移動至少一個該超音波陣元，作為下一次掃描的該陣元群。
5. 如申請專利範圍第1項所述之超音波成像裝置，其中N為3至5個。
6. 如申請專利範圍第1項所述之超音波成像裝置，其中該超音波成像處理單元包括一類比-數位轉換器、一時間差補償電路、一加總電路以及一影像合成單元，其中該類比-數位轉換器將該通道訊號轉換成一數位通道訊號，該時間差補償電路接收該數位通道訊號，並根據各該中央回波訊號的到達時間及時間差，得到各該中央回波訊號的一補償值，該加總電路根據該些補償值對該數位組通道訊號中各該中央回波訊號進行延遲加總，以產生該修正通道訊號，該影像合成單元根據該修正通道訊號進行影像合成處理，以得到該超音波影像。
7. 如申請專利範圍第1項所述之超音波成像裝置，其中各該陣元群接收到該中央回波訊號的延遲時間為兩倍各該中央回波訊號由一物體點到達各該陣元群的時間。
8. 一種超音波成像方法，包括： 重複多次選擇性地開啟一超音波探頭中的N個超音波陣元作為一陣元群以進行掃描，每次掃描由該陣元群發射一超音波訊號並接收該超音波訊號的一回波訊號； 於每次接收到的該回波訊號中擷取其中之一中央回波訊號，以組成一通道訊號； 根據各該中央回波訊號的到達時間，以對該通道訊號中各該中央回波訊號進行延遲加總，以產生一修正通道訊號；以及 將該修正通道訊號進行影像合成處理，以得到一超音波影像。
9. 如申請專利範圍第8項所述之超音波成像方法，其中N為奇數時，該中央回波訊號係取自該陣元群之正中央的該超音波陣元接收的該回波訊號。
10. 如申請專利範圍第8項所述之超音波成像方法，其中N為偶數時，該中央回波訊號係取自該陣元群之中央的二個該超音波陣元接收的該回波訊號之平均。
11. 如申請專利範圍第8項所述之超音波成像方法，其中每次掃描發射完該超音波訊號後，依序移動至少一個該超音波陣元，作為下一次掃描的該陣元群。
12. 如申請專利範圍第8項所述之超音波成像方法，其中N為3至5個。
13. 如申請專利範圍第8項所述之超音波成像方法，其中根據各該中央回波訊號的到達時間及時間差，得到各該中央回波訊號的一補償值，並根據該補償值對各該回波訊號進行延遲加總。
14. 如申請專利範圍第8項所述之超音波成像方法，其中各該陣元群接收到該中央回波訊號的延遲時間為兩倍各該中央回波訊號由一物體點到達各該陣元群的時間。

Images