利用发散发射波束的高质量高帧速率超声成像

摘要

一种超声系统以高显示帧速率产生高质量图像。要被成像的平面或体积通过不同的发散发射波束来扫描以采集不同子帧的系列，子帧采集的数量包括将产生高质量图像的发射波束的总数。响应于子帧的发射波束而接收的回波与在其他子帧中接收的回波相干地组合。每当新的子帧的回波已经与所有其他不同子帧的回波相干地组合时，产生完整图像。在子帧的整个系列已经被接收并且回波被组合之后，子帧采集的另一系列开始并且子帧的新系列被采集。当每个新的子帧被采集时，其与所有其他不同的且最新近采集的子帧相干地组合。该技术以子帧扫描速率产生新的图像，而非在形成新的图像之前等待子帧的全新系列。

说明书

技术领域

本发明涉及超声成像系统，并且具体涉及利用发散发射波束产生高质量高帧速率图像的三维(3D)超声成像系统。

背景技术

通常通过利用一维(1D)阵列换能器扫描平面图像场来产生高质量二维(2D)超声成像。在图像场内邻近彼此发射波束，并且响应于每次发射而采集回波。通过延迟和求和波束形成器对接收的回波进行波束形成以跨图像场形成相干回波信号的扫描线。针对图像的典型数量的扫描线可以是128-196条扫描线。通过B模式或多普勒处理对扫描线进行处理以形成平面图像场中的组织和/或流的平面图像。此类图像具有高质量，因为图像中的每一条扫描线由聚焦发射波束和同轴聚焦接收波束形成。但是这种成像的缺点是采集被用于形成图像的回波信号所需的时间，其由发射波束和返回回波信号在对象中的声音的速度限制。形成图像所需的时间能够通过发射更少的发射波束来改进，这改进了采集时间并且因此显示帧速率，但是这样做的代价是降低的图像质量。

当执行三维(3D)成像时，帧速率问题甚至是更严重的。在3D扫描中，发射波束必须在方位角和仰角维度两者上被发射以扫描整个体积区域。这需要发射不是如2D成像所需的一百左右波束而是数千个发射波束。该情况能够通过响应于每个发射波束而采集多条扫描线，但是扫描整个体积所需的时间并且因此显示帧速率通常甚至比2D成像的时间和显示帧速率更慢。因此，期望能够改进2D和3D成像两者的显示帧速率同时维持高图像质量。

发明内容

根据本发明的原理，描述了一种以高显示帧速率产生高质量图像的超声成像系统。要被成像的平面或体积通过不同发散发射波束来扫描以采集不同子帧的系列，子帧的数量包括将产生高质量图像的发射波束的总数。响应于子帧的发射波束而接收的回波与在其他子帧中接收的回波相干地组合。每当新的子帧的回波已经与所有其他不同子帧的回波相干地组合时，就产生完整图像。在子帧的整个系列已经被接收并且回波被组合之后，子帧采集的另一系列开始并且子帧的新系列被采集。当每个新的子帧被采集时，其与所有其他不同的且最新近采集的子帧相干地组合。该技术以子帧扫描速率产生新的图像，而非在形成新的图像前等待子帧的全新系列。根据本发明的又一方面，图像场中的运动可以被检测，并且检测到的运动的存在用于改变扫描序列或校正运动伪影。

附图说明

在附图中：

图1a、1b、1c和1d图示了根据本发明的原理的用于2D图像扫描的四个子帧的扫描序列。

图2a和2b图示了根据本发明的原理的用于3D图像扫描的两个子帧的扫描序列。

图3a和3b图示了根据本发明的原理的3D图像扫描的另一发散波束扫描序列。

图4以方框图形式图示了根据本发明的原理构建的用于2D成像的超声成像系统。

图5以方框图形式图示了根据本发明的原理构建的用于3D成像的超声成像系统。

具体实施方式

图1a-1d图示了根据本发明的原理的用于扫描2D图像平面的四个子帧扫描序列。图示的序列均包括五个不同发射波束的发射和对应的回波接收，并且是八个此类序列中的四个并且得到的子帧用于扫描整个2D图像平面并产生高质量图像。这意味着八个序列总共采用四十个发射波束。针对不同子帧的每个扫描序列包括跨完整图像孔12分布的五个不同发射波束。在图1中，发射波束箭头被编号以指示其在覆盖整个图像场的四十个波束的全序列中的位置。图1a的扫描序列被视为包括发射波束1、9、17、25和33。每个发射波束是包含多个接收扫描线位置的发散波束，如通过围绕发射波束#1的发散波束轮廓50指示的。在该范例中，发散波束声穿透八个接收扫描线位置1-8，使得针对八条扫描线的回波能够响应于发散波束#1的发射而从这些位置被接收。在波束#1被发射并且其回波被接收之后，波束#9被发射并且针对由波束#9声穿透的扫描线的另一集合的回波被接收。该过程继续从发散波束17、25和33的发射和接收。

从该五波束序列采集的扫描线回波然后与从其他不同序列接收的回波相干地组合。回波甚至可以用来形成图像。然而，图像将会由于低数量的发射波束和接收线而在质量方面是低的，并且甚至可能由于缺少从图像场的不同区域的回波接收而示出空隙。然而，由八个不同序列和全扫描的子帧形成的图像将是高质量图像。

额外的子帧通过发射不同的序列来采集，如图1b、1c和1d中示出的。在图1b中，发散波束5、13、21、29和37的序列，其被视为在第一序列的波束位置中间。波束#5被视为声穿透并且导致针对八十扫描线图像场的扫描线9-16的回波的采集。在利用第二序列的采集结束之后，八十条扫描线的完整图像场已经被采集。图1c中示出的第三序列发射发散波束2、10、18、26和34。在该扫描期间采集的扫描线全部将用于先前已经采集的扫描线，导致跨孔的二十条扫描线位置处的相干组合。例如，发射波束#2将导致针对扫描线3-10的采集，其将与在两个先前序列期间采集的扫描线相干地组合。在第三序列已经被发射并且扫描线被接收并组合之后，发散波束6、14、22、30和38的第四序列被发射并且回波被接收。该序列也接收来自先前已经在先前序列中采集的扫描线的回波，并且因此其接收到的回波将与先前采集的扫描线回波相干地组合。

该过程继续为用于从波束3、11、19、27和35；波束7、15、23、31和39；波束4、12、20、28和36；以及波束8、16、24、32和40的子帧的发射和接收的四个更多序列。此外，除了最横向边缘，图像场的每条扫描线已经被扫描并采集四次。因此，得到的图像数据由图像场中的每个点处的四条扫描线样本的相干组合产生，导致期望的高质量图像。

现在，过程重复，并且图1a的第一发散波束序列被再次发射，并且回波被接收。但是代替于等待其他七个序列被完成以形成第二图像，第二图像现在通过相干地组合来自该序列的回波与从先前七个序列采集的回波来形成。实际上，第一图像现在通过提供第二图像来更新，其中，来自第一序列的回波信号数据已经被来自第一序列的该第二次重复的回波信号数据代替。这意味着新的图像在采集并处理完全新的图像所需的时间的八分之一内被显示给用户。第二图像具有与第一图像相同的质量，因为它由已经被相干地组合的八个分量子帧构成，就像第一图像。新更新的图像以这种方式被连续地产生。在新的子帧的采集之后，新的子帧的扫描线与七个先前采集的子帧的扫描线数据相干地组合。这以高显示帧速率产生连续的高质量图像。将意识到子帧的数量、子帧的发射波束的数量和每个发射波束的发散波束轮廓能够被改变并调整，以产生宽范围的扫描可能性。不同转向的平面波也是用于发散波束的可能实施方式。

图2a和2b图示了针对本发明的用于3D(体积)扫描的实施方式的发散波束发射和扫描线回波接收。在这些附图中，体积平面波60形式的发散波束从换能器元件的二维阵列的孔12被发射。所图示的平面波未在一个维度(方位角或仰角)上聚焦，而是在另一个维度上稍微聚焦。未完全聚焦的平面波将需要大量同时操作的接收信道和处理。由于在稍微聚焦的维度上的更少量的接收扫描线，所图示的在一个维度上稍微聚焦的平面波需要更少量的接收信道和处理器。在图2a的范例中，每个平面波60a在仰角上仅跨越四条扫描线。在图2b中对于平面波60b也是如此，除了稍微聚焦是在方位角维度上。在图2中，子帧可以包括一个或若干个平面波60a、60b，如通过从平面波延伸的小圆点指示的。虽然平行平面波未被示为交叠，但是在构建的实施例中，交叠能够在任何期望的程度上延伸。图2a和2b图示了体积首先由在侧向方向上的四个不同扫描、然后再次由沿横向方向上的四个不同平面波扫描的实施方式。图2a的平面波60a包括针对两个子帧的发射，一个子帧包括第一和第三平面波，并且另一个子帧包括第二和第四平面波。图2b同样示出了针对包括第一和第三以及第二和第四平面波的两个子帧的发射。针对每个子帧采集的回波与针对三个以前子帧采集的回波相干地组合。代替在所有八个平面波已经被发射并且其回波被采集并处理之后产生图像，新的图像在从两个平面波发射采集每个新子帧之后产生，这比通常的情况快三倍。显示帧速率因此被改进。

图3示出本发明的用于扫描3D体积的另一实施方式，这时，其中，每个子帧包括整个目标体积的不同角度的发散波束扫描。在这些附图的范例中，存在八十一个这样的体积子帧，每个体积子帧在其虚拟顶点不同地位于二维阵列孔12后面的位置的网格90中的情况下被发射。在图3b中示出了虚拟顶点位置的九乘九网格90，其中，虚拟顶点位置被定位在网格的每个垂直和水平线的交点处，如通过小圆点示出的。在图3a中以透视的方式示出了由参考网格上的两个扩大的小圆点AV1和AV2的发散波束扫描的体积。由于波束发散和每个棱锥扫描的顶点在孔后面的事实，二维阵列表面的孔12向下以截棱锥的形式发射发散波束。如图3b示出的，虚拟顶点AV1相对于2D孔中心地位于网格上，并且因此截棱锥发散波束呈采取竖立的对称棱锥的形式，如通过边缘线92示出的。如果中心线从棱锥92的顶点向下绘制，其将正交于并且从孔12的中心延伸。该扫描体积包括八十一子帧系列中的一个子帧。

参考虚拟顶点AV2产生的第二体积子帧与第一棱锥体积以不同角度倾斜，如通过其虚线边缘线94图示的。由于虚拟顶点AV2在网格上的中心点AV1后面且在其左侧，发射能量的该截棱锥向后且向左倾斜。如果中心线从棱锥92的顶点向下绘制，其将以在方位角(Az)和仰角(El)上倾斜的角度从孔12延伸。因此，通过该第二发散波束的在孔下方的全体积的扫描将由于目标体积的其不同角度而采集不同的回波信息。

八十一个这样的扫描利用八十一个不同的发散发射波束来执行以针对八十一个不同的体积子帧采集体积回波信号数据。这些子帧的回波信号针对体积中的返回回波的位置在在空间逐点的基础上被相干地组合。目标体积中的大部分点(像素或体素)位置因此将会被采样八十一次，这给予得到的3D图像其高图像质量。八十一个扫描的系列然后被重复，其中，每个新的采集与八十个先前的且不同角度的回波信号数据的子帧相干地组合以产生新的3D图像。因此，体积帧速率比当只有八十一个新的扫描的整个集合的采集之后才产生新的体积图像时的情况快八十倍。

现在参考图4，以方框图形式示出了根据本发明的原理构建的超声诊断成像系统。换能器元件12的二维阵列被提供在超声探头10中，用于发射超声波和接收回波信息。换能器阵列12可以是能够在两个或三个维度上(例如，在方位角和仰角两者上)进行扫描以用于3D扫描的换能器元件的一或二维阵列。换能器阵列12被耦合到探头中的微波束形成器14，微波束形成器14控制通过阵列元件的信号的发射和接收。微波束形成器是能够对由换能器元件的组或“贴片”接收的信号进行发射波束转向和至少部分波束形成的探头集成电路，如在美国专利US 5997479(Savord等人)、US 6013032(Savord)、US 6623432(Powers等人)和US 8177718(Savord)中描述的。微波束形成器由探头线缆耦合到发射/接收(T/R)开关16，发射/接收(T/R)开关16在发射和接收之间进行切换并且保护系统波束形成器免受高能量发射信号损害。平面波或发散超声波束在微波束形成器14的控制下从换能器阵列12的发射由被耦合到T/R开关和主波束形成器20的波束形成器控制器18引导，其接收来自用户接口或控制面板38的用户操作的输入。在由发射控制器控制的发射特性之中的是发射波形的焦点、数量、间距、幅度、形状、角度、相位、频率、极性和分集。在波束发射的方向上形成的波束可以从换能器阵列径直向前转向或以在未转向波束的任一侧面上转向以用于更宽扇形视场的不同角度。对于上面描述的技术，平面波或发散波束被用于发射。相对小的阵列长度(例如，128元件阵列)的大多数一维阵列探头不使用微波束形成器，而是被驱动到主波束形成器并且直接对主系统波束形成器作出响应。二维阵列换能器能够通过仅利用单列或行换能器元件进行扫描而被操作为一维阵列。

由换能器元件的相邻组接收的回波通过适当地延迟它们并且然后对它们进行组合而被波束形成。由来自每个片块的微波束形成器14产生的部分波束形成信号被耦合到主波束形成器20形式的接收器，其中，来自个体换能器元件的信号或来自换能器元件的个体片块的部分波束形成的信号被组合成来自遍及被扫描目标区域的完全波束形成相干回波信号的接收到的扫描线。优选地，波束形成器20是从在发射事件之后接收的回波产生多条接收扫描线的多个波束形成器。例如，主波束形成器20可以具有128个信道，其中每个从12个换能器元件的片块或从个体元件接收部分地波束形成信号。以这种方式，由二维阵列换能器的一行换能器元件或超过1500个换能器元件接收的信号能够高效地促进单个波束形成的信号，并且从图像平面接收的信号被组合。

从每个平面波或发散波束扫描接收的扫描线的相干回波信号被耦合到子帧复合电路22中，其中，它们在空间基础上与从目标区域的先前扫描接收的回波信号进行组合。当一个子帧的扫描线与其他子帧的扫描线对准时，如同图1的范例中的情况，其能够在扫描线基础上被复合，并且甚至能够由扫描线根据其不同发射波束原点的相位对准而被给予合成波束焦点，如在美国专利US 8137272(Cooley等人)中描述并示出的。当3D扫描的每个发射体积的接收到的扫描线相对于其声穿透棱锥体积的维度在公共空间分布中时(这便于波束形成器编程)，来自不同扫描的扫描线实际上全部将在与彼此不同的空间角度处并且来自交点的回波在逐点的空间基础上被组合。由于每个回波的飞行时间确定其在体积中的空间位置，在目标体积中具有相同x、y、z坐标的回波通过子帧复合电路被复合。当来自每个不同扫描体积的回波被接收时，它们被添加到先前从目标体积的相同x、y、z位置接收的回波数据并且被存储在存储器中。

来自子帧的整个集合的复合相干回波信号经历通过信号处理器26的信号处理，所述信号处理包括通过数字滤波器的滤波和如通过频率复合的噪声或散斑减少。经滤波的回波信号也在信号处理器26中经历正交带通滤波。该操作执行三种功能：对RF回波信号数据进行频带限制，产生回波信号数据的同相和正交对(I和Q)，以及对数字采样速率进行抽取。信号处理器也能够将频带移位到更低或基带频率范围。例如，信号处理器26的数字滤波器能够是美国专利US 5833613(Averkiou等人)中公开的类型的滤波器。

经复合和处理的相干回波信号被耦合到B模式处理器30，B模式处理器30产生用于对象中的结构的B模式图像(诸如组织图像)的信号。B模式处理器通过计算(I

图像数据被耦合到图像存储器36，其中，图像数据被存储在可根据从其采集图像值的空间位置寻址的存储器位置中。来自3D扫描的图像数据能够被体积绘制器42访问，体积绘制器42将3D数据集的回波信号转换成如从给定参考点查看的投影的3D图像，如美国专利US 6530885(Entrekin等人)中描述的。由体积绘制器42产生的3D图像和由多平面重新格式化器32从被扫描的体积的平面或从单个平面的扫描产生的2D图像耦合到显示处理器48以用于进一步增强、缓冲和暂时存储以显示在图像显示器40上。

根据本发明的又一方面，图4的实施方式包括运动检测器24。由于本发明的实施方式能够组合来自最新近采集的子帧的数据与先前许多子帧间隔采集的子帧的数据，诸如模糊的运动伪影发生是可能的。当探头移动或被扫描解剖结构(诸如移动的心脏瓣膜)中存在运动时，这是可能的。回波信号数据在被复合时将不会处于配准，因而在图像中产生伪影。运动检测器将检测运动何时已经发生，并且采取动作来最小化或消除伪影。任何已知的或以后开发的运动检测技术能够被采用。一种可能的实施方式是使用子帧数据用于运动分析。当不同子帧的扫描线被轴向地对准时，当前子帧的一条或多条扫描线能够利用一个或多个更早采集的子帧的空间上对应的扫描线来处理，并且被处理用于运动检测。来自时间上不同但是轴向上对准的扫描线的系综的回波数据能够通过标准多普勒相移分析来处理，以横向地或轴向地检测运动。来自空间上共同但是时间上不同的像素组的图像数据的散斑跟踪能够如美国专利US 8187186(Salgo等人)中描述的那样被用来检测散斑的任何运动。空间上共同、时间上不同的图像区域或体积的空间分析(诸如绝对差值的最小和(MSAD)计算)能够如美国专利US6442289(Olsson等人)中描述的那样被使用。其他基于图像的跟踪技术(诸如基于梯度下降或光流的配准)能够被采用。代替于使用来自子帧的数据，跨图像平面或体积选择性地间隔开并且仅专用于运动检测的特殊扫描线可以在子帧之间被采集，并且使用前述技术中的任一种来分析。运动检测可以使用1D、2D或3D回波时间来进行。

运动检测器能够被编程为在子帧的系列期间检测到运动时采取各种动作。一种可能性是通过将子帧重新对准成配准来对运动进行补偿，如在延伸的视场成像中进行并且在前面提到的Olsson等人的专利中描述的。对准子帧的另一方式是将时间延迟校正应用于接收到的信号或子帧的扭曲(子帧之间的内插)。一旦配准，子帧就能够在几乎没有或没有运动伪影的情况下被复合。另一可能性是运动检测器修改发射参数使得子帧的整个集合能够利用更少的发射波束被采集。例如，发散波束的散度能够被增加以在每次发射的情况下采集更大数量的扫描线或更大的体积，这需要更少的发射来扫描完整图像目标。又一可能性是结束本发明的高帧速率技术，并且引起超声系统回到标准扫描技术。

本发明人已经发现，静态离轴信号和移动对象具有类似的特征，这能够引起图像场中的静态目标产生伪运动检测。这是因为被采集的信号的往返点扩展函数在发射方向改变时旋转。主波束瓣相同，但是旁瓣移位，导致离轴散射体的明显运动。为了防止此，接收孔沿以与发射孔相反的方向移位，导致往返点扩展函数保持相同。例如，如果发射方向旋转+1度，接收孔被移位因此接收方向旋转-1度，不导致往返点扩展函数保持的旋转。

在图5中以方框图形式图示了本发明的超声成像系统的第二实施方式。具有相同附图标记的部件在图5实施方式中以与图4中相同的方式运行。然而，代替控制主系统波束形成器，除了微波束形成器的其控制之外，波束形成器控制器118现在控制微信道存储器120形式的接收器的寻址。微信道存储器是2D或3D数据存储器，其接收并存储由1D阵列的元件或2D阵列换能器的元件的贴片产生的信号，与其在被扫描的目标平面或体积中的点位置对应地存储它们。在已经根据平面波或发散波束的发射从图像平面或目标体积接收所有回波信号之后，由合成聚焦处理器122在空间基础上将子帧数据的2D或3D体积与从先前子帧采集接收的2D或3D数据进行组合。在空间基础上添加从平面波或发散发射事件接收的所有回波实现合成聚焦，由此遍及平面或体积的点处的图像数据被完全聚焦。参见例如用于描述合成聚焦的美国专利US 4604697(Luthra等人)。类似于之前的实施方式，通过合成聚焦处理器对数据的组合提供了来自目标体积的多个平面波或发散扫描的3D数据集的复合。

应注意，适于使用在本发明的实施方式中的超声系统并且特别地图4和5的超声系统的部件结构可以以硬件、软件或其组合实施。超声系统的各种实施例和/或部件和其控制器、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系统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(诸如扫描复合电路存储器、图像存储器36和多信道存储器120)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系统，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的任何其他电路或处理器的系统。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系统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。指令集可以是软件程序的形式。该软件可以采用各种形式，例如系统软件或应用软件，并且可以体现为有形且非瞬态的计算机可读介质。扫描线复合电路和合成聚焦处理器的操作通常由软件例程的方向或在其下执行。此外，软件可以采取在较大的程序内的单独的程序或模块的集合或者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，以下权利要求的限制不是以功能模块格式写的，也不是要基于35U.S.C.112第六段来解释，除非并且直到这样的权利要求限制明确地使用短语“用于……的模块”，其后是没有进一步结构的功能说明。