用于自动超声图像优化的系统和方法

专利名称：用于自动超声图像优化的系统和方法
技术领域：
本发明主要涉及超声成像系统，并且更具体地说，涉及此类系统中的自动图像优 化。
背景技术：
使用超声来产生用于医疗诊断的图像由于其不电离的性质、产生源于各种软组织 的力学属性中固有的差异的图像的能力及技术的进步而变得普遍。当前应用包括检查心 脏、腹部和胎儿。在大部分领域中，诊断现在一般基于结构的大小、位置、轮廓和运动及其相 对透射和反射属性。通常，对于典型的超声扫描仪，用户需要执行多个操作以获得优化的图像，这既耗 时又是依赖操作员的。此外，经验不足的用户可能生成次佳的图像，增加了不正确诊断的风险。普遍的实践是为每个超声探头和每个临床应用预设成像参数。在此情况下，扫描 仪将无需用户调整而对一般患者具有良好的性能。然而，此类方案未处理对超声成像关键 的患者依赖性。自动增益优化也在超声扫描仪中广泛实现。采集的图像被分析，并且调整局部幅 度以获得最佳图像亮度、对比度和均勻性。然而，此类技术只致力于部分图像优化问题，并 且未解决对图像质量也关键的基本波束形成参数，例如，诸如频率、孔径大小。因此，期望有改进的超声成像系统以致力于一个或多个上述问题。

发明内容
根据本发明的一个实施例，提供一种用于物体的超声成像中的自动图像优化的方 法。该方法包括将第一超声信号传送到物体中，其中，该信号具有多个第一信号参数。该方 法还包括接收表示来自物体的第一超声信号的反射的电信号的第一集合。该方法还包括将 电信号的第一集合处理成第一图像。该方法还包括评估用于第一图像的图像质量成本函数 (image quality cost function)以产生第一图像质量度量。该方法还包括基于第一图像 质量度量来确定第二多个信号参数。该方法还包括将第二超声信号传送到物体中，其中，该 信号具有第二多个信号参数。该方法还包括接收表示来自物体的第二超声信号的反射的电 信号的第二集合。该方法还包括将电信号的第二集合处理成第二图像。该方法还包括评估 用于第二图像的图像质量成本函数以产生第二图像质量度量。该方法还包括比较第一图像 质量度量和第二图像质量度量以确定最大化的图像质量度量是否已达到。该方法还包括指 派产生了最大化的图像质量度量的多个信号参数作为最佳参数。该方法还包括使用具有最 佳参数的超声信号为物体成像。该方法还包括显示基于具有最佳参数的超声信号的物体的 结果图像。根据本发明的另一个实施例，提供一种用于物体的超声成像中的自动图像优化的 系统。该系统包括声耦合到物体的超声换能器，其中，超声换能器配置成将第一超声信号和
4第二超声信号传送到物体中，其中，第一超声信号和第二超声信号分别包括信号参数的第 一集合和信号参数的第二集合。超声换能器还将来自物体的反射的超声信号的第一集合和 反射的信号的第二集合转换成相应的电信号的第一集合和电信号的第二集合。耦合到超声 换能器的处理器将电信号的第一集合和电信号的第二集合处理成第一图像和第二图像。处 理器评估用于第一图像和第二图像的图像质量成本函数以产生第一图像质量度量和第二 图像质量度量。处理器还基于第一图像质量度量来确定信号参数的第二集合。处理器还包 括比较第一图像质量度量和第二图像质量度量以确定最大化的图像质量度量是否已达到。 产生最大化图像质量度量的多个参数被指派为最佳参数。物体还使用具有最佳参数的超声 信号来成像。显示监视器配置成基于来自具有最佳参数的超声信号的成像物体，显示物体 的结果图像。


参照附图阅读以下详细说明时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更 好理解，附图中类似的字符表示遍布图形的类似部分，其中图1是根据本发明的一实施例、用于物体的超声成像的系统的框图表示。图2是根据本发明的一实施例的流程图，其表示用于物体的超声成像中的图像优 化的方法中的步骤。图3是根据本发明的一实施例的示范自动图像优化系统的示意图，该系统调整超 声图像的轴/横向空间分辨率和信噪比。
具体实施例方式本发明的实施例针对用于超声图像优化的系统和方法。该技术包括通过调整例如 波束形成参数和信号处理参数的超声成像参数来动态实现图像质量的优化的图像质量成 本函数。当在本文使用时，术语“波束形成”是指用于定向信号传送或接收的技术。波束形 成过程控制在多个超声换能器元件生成的信号组合成超声波束前这些信号的相位和相对 幅度，以便在波阵面中形成建设性和破坏性干扰的型式。波束形成参数的非限制性示例可 包括传送频率、传送/接收孔径大小、传送/接收变迹(apodization)、聚焦区的数量及聚焦 区的深度。图1是用于例如活体的物体14的超声成像的系统10的框图表示。系统10包括 声耦合到物体14的超声换能器16。在一个实施例中，超声换能器16包括手持式超声换能 器。超声换能器16将第一超声信号18传送到物体14中。第一超声信号18包括多个第一 信号参数。反射的超声信号22的第一集合转换成电信号的第一集合24。耦合到超声换能 器16的处理器28处理电信号的第一集合24，将处理后的图像数据29输出成由显示监视 器34显示的第一图像32。处理器28为第一图像32评估由标号36引用的图像质量成本函 数。在一特定实施例中，在生成最终图像前，在信号链的各个位置处理图像数据。图像数据 可以是RF数据或仅幅度信号。在另一个实施例中，处理最终图像以获得图像质量信息，但 它一般更不可靠。应注意的是，信号参数与信号处理期间和接收、传送相关联。参数的第二集合基于第一图像32的第一图像质量度量来确定。该过程对具有参 数的第二集合的超声信号46的第二集合重复进行。反射的超声信号45的第二集合由超声换能器16作为电信号的第二集合47来传送。信号47由处理器作为图像数据49输出以获 得结果的第二图像52。处理器28为第二图像52计算第二图像质量度量，并且还比较第二 图像质量度量和第一图像质量度量以确定最大化的图像质量是否已达到。存在达到最大化 的图像质量的各种情形。在一个实施例中，第二图像可具有比第一图像更差的质量。在另 一个实施例中，连续图像质量度量的曲线停止增加。在仍有的另一个实施例中，两个计算的 图像质量度量具有小于预定阈值的差别。在另一个实施例中，达到允许的最大迭代次数的 阈值。在一个实施例中，在图像质量已最大化时，计算与最大化的图像质量度量相关联 的多个参数，并将其指派为最佳参数，并且在显示监视器34上显示最佳图像。当在本文使 用时，术语“最佳图像”是指通过由图像的质量的客观测量而已确定为最佳的参数所产生的 图像。在一备选实施例中，在图像质量度量未最大化时，整个过程重复进行，直至达到最大 化的图像质量。在一个实施例中，处理器调整例如但不限于频率、传送脉冲长度、标称音速、 传送孔径大小、接收孔径大小、脉冲重复频率、束线密度、聚焦区的数量及聚焦区的位置中 至少一项的波束形成参数。波束形成参数是软件可配置的，并且因此可完全自动执行而无 需用户干预。在一示范实施例中，孔径大小实际上是用于传送或接收并且以电子方式控制 的活动孔径大小。在另一个实施例中，处理器调整例如但不限于接收滤波器、增益分区和动 态范围压缩的图像处理参数。图像质量因子基本上是有联系的。提高一个因子可对另一个因子具有逆影响。例 如，能通过增加传送频率来提高超声图像的空间分辨率。然而，那将降低穿透。在另一个示 范实施例中，能通过降低束线密度来提高超声图像的帧速率。然而，那将降低空间分辨率。 因此，成本函数是评估图像质量因子的影响的最佳工具。图像优化问题转变成将成本函数 最大化的数学问题。图像质量成本控制函数作为图像参数的函数可表示为Cost (χ) =Σ cY (χ)其中，向量Y表示图像质量因子，向量X表示影响图像质量的图像参数，以及c是 加权系数的向量。系数可以是非线性的。图像优化问题实际上要求计算将上述成本函数最 大化的X。通常，成本函数可以是图像质量因子的任何函数，表示不同质量因子内的复杂关 系Cost(x) = f [Y (χ)]在超声图像优化方面，存在各种输入输出关系。在一特定实施例中，改变输入(成 像参数)可影响多个输出(图像质量因子)。输入的非限制性示例包括传送频率、脉冲长 度、传送孔径大小、作为深度的函数的接收频率和带宽、接收孔径大小、脉冲重复频率(顺 序发射的传送脉冲的频率)、束线密度(形成图像的束线的数量)及聚焦区数量和聚焦区的 位置。输出的非限制性示例包括空间分辨率(包括纵向和横向分辨率)、对比度分辨率(部 分由旁瓣电平来确定)、穿透、图像均勻性、帧速率及图像伪影(雾、混响(reverberation)等)。输入可以复杂的方式影响多个输出。在一特定实施例中，更高的传送频率可提高 空间分辨率，但降低SNR、穿透及帧速率。在另一个实施例中，增加孔径大小可提高空间分 辨率，但导致图像均勻性的退化和帧速率的下降。在仍有的另一个实施例中，增加聚焦区的 数量可提高图像均勻性，但降低帧速率。在一个实施例中，更高的脉冲重复频率可增加帧速率，但造成更多的声衰减混响伪影。此外，对于不同的患者和/或应用，优化(或折衷)可 以不同。例如，对于其中信噪比和成像不是问题的简单患者，可增加频率以提高穿透；而对 于其中信噪比是问题的困难患者，可降低频率以确保可接受的穿透。在另一个实施例中，对 于快速移动的组织，可增加帧速率以跟踪组织。在此类情况下，可为更佳的帧速率而牺牲空 间分辨率和图像均勻性，并且典型的调整可以是降低束线密度和/或降低聚焦区的数量。应注意的是，本发明的实施例不限于用于执行本发明的处理任务的任何特定处理 器。术语“处理器”在本文使用时旨在表示能够执行对于执行本发明的任务所必需的运算或 计算的任何机器。术语“处理器”旨在表示能够接受结构化输入并且根据规定的规则来处 理输入以产生输出的任何机器。还应注意的是，正如本领域的技术人员将理解的，短语“配 置成”在本文使用时表示处理器装配有用于执行本发明的任务的硬件和软件的组合。图2是流程图，表示用于物体的超声成像中的图像优化的方法80中的步骤。方 法80包括在步骤82中将第一超声信号传送到物体中，其中，该信号具有信号参数的第一集 合。在一特定实施例中，超声信号经超声换能器来传送。在步骤84中，接收表示来自物体 的第一超声信号的反射的电信号的第一集合。在步骤86中，电信号的第一集合被处理成第 一图像。在一个实施例中，处理电信号的第一集合和电信号的第二集合。在步骤88中，评 估用于第一图像的图像质量成本函数以产生第一图像质量度量。在一个实施例中，图像质 量成本函数定义为多个图像质量因子的加权和。图像质量因子的非限制性示例包括空间分 辨率、信噪比、帧速率、物体内的穿透及图像伪影。在步骤90中，基于第一图像质量因子来 预测信号参数的第二集合。在一个特定实施例中，经模拟有经验的超声用户的智能优化算 法，基于第一集合的图像质量因子来执行信号参数的第二集合的预测。例如，如果在第一集 合中穿透的质量因子正在缺乏，则一般情况下需要减小频率。如果帧速率小于所期望的，则 需要减小束线密度。智能优化算法可使用那些领域中的专家公知的动态编程或决策树的框 架来实现。在一个实施例中，信号参数的第一集合和信号参数的第二集合包括多个波束形 成参数和多个图像处理参数。在另一个实施例中，波束形成参数包括频率、脉冲速率、传送 孔径大小、接收孔径大小、脉冲重复频率、束线密度、聚焦区的数量及聚焦区的位置中的至 少一项。在另一个实施例中，图像处理参数包括接收滤波器、增益分区和动态范围压缩。在步骤92中，第二超声信号传送到物体中，其中，第二超声信号具有信号参数的 第二集合。在步骤94中，接收表示来自物体的第二超声信号的反射的电信号的第二集合。 在步骤96中，电信号的第二集合被处理成第二图像。在步骤98中，对第二图像评估图像质 量成本函数以产生第二图像质量度量。在步骤100中，比较第一图像质量度量和第二图像 质量度量以确定最大化的图像质量度量是否已达到。在步骤102中，将产生最大化的图像 质量度量的多个信号参数指派为最佳参数。在步骤104中，使用具有最佳参数的超声信号 来为物体成像。在步骤106中，显示基于具有最佳参数的超声信号的物体的结果图像。图3是示范自动图像优化系统120的示意图示，其通过估计由显示器122显示的 超声图像数据121的轴向/横向空间分辨率、信噪比及穿透因子，调整传送波形设置(频率 和带宽)。影响轴向/横向空间分辨率和信噪比的因子包括由标号124引用的频率和带宽。 如本文中所示，基于在处理器28 (图1)中生成的图像来估计时间频率和带宽124及信噪比 126。估计的频率和带宽及信噪比被馈送到由标号130引用的图像质量成本函数中，该函数 调整孔径大小以输出具有图像的改进的轴向和横向分辨率及信噪比的图像132。如果最大
7化的图像质量度量未达到，则在反馈环路中如标号134所引用的迭代地执行频率优化。在 一特定实施例中，接收包含信号和噪声的图像帧。还接收只包含噪声的从零传送幅度获得 的噪声帧。信噪比126随后被计算并馈送到图像质量成本函数130中。上述用于超声图像优化的系统和方法的各种实施例因此提供了一种方式以实现 用于优化图像质量的方便、有效的方式。该技术也是自动化的，由此消除了操作员依赖性。 此外，所述系统和技术考虑了具成本效益的方式。要理解，上述所有此类目的或优点不一定可根据任何特定实施例来实现。因此，例 如，本领域的技术人员将认识到，本文所述的系统和技术可以在实现或优化本文教导的一 个优点或一组优点而不一定实现如本文可能教导或暗示的其它目的或优点的方式中实施 或执行。此外，技术人员将认识到来自不同实施例的各种特征的可交换性。例如，相对于一 个实施例的手持式超声换能器的使用能适合与相对于另一个实施例所述的配置成调整帧 速率的图像质量成本函数一起使用。类似地，所述各种特征以及每个特征的其它已知等效 特征能由本领域的技术人员混合和匹配以构成根据本公开的原理的另外系统和技术。虽然本发明仅结合有限数量的实施例来详细描述，但应容易理解，本发明并不限 于这些公开的实施例。相反，本发明能进行修改以结合此前未描述但与本发明的精神和范 围相称的任何数量的变化、改变、替代或等效布置。另外，虽然已描述本发明的各种实施例， 但要理解，本发明的方面可仅包括所述实施例的一些。因此，本发明不可视为受以上描述限 制，而只受随附权利要求的范围限制。作为新的来要求权利的并期望受美国的专利特许证保护的
要素列表
10用于物体的超声成像的系统
14物体
16超声换能器
18第一超声信号
22反射的超声信号的第-一皇A 朱口
24电信号的第一集合
28处理器
29处理的图像数据
32第一图像
34显示监视器
36图像质量成本函数
45反射的超声信号的第二一皇A 一朱口
46具有参数的第二集合的超声信号的第二集合
47电信号的第二集合
49图像数据
52结果第二图像
80用于物体的超声成像中的图像优化的方法
82将第一超声信号传送到物体中
8
84接收表示来自物体的第一超声信号的反射的电信号的第一集合86将电信号的第一集合处理成第一图像88评估用于第一图像的图像质量成本函数以产生第一图像质量度量90基于第一图像质量度量来预测信号参数的第二集合92将第二超声信号传送到物体中94接收表示来自物体的第二超声信号的反射的电信号的第二集合96将电信号的第二集合处理成第二图像98评估用于第二图像的图像质量成本函数以产生第二图像质量度量100比较第一图像质量度量和第二图像质量度量以确定最大化的图像质量度量是否已达到102指派产生了最大化的图像质量度量的多个信号参数作为最佳参数104使用具有最佳参数的超声信号为物体成像106显示基于具有最佳参数的超声信号的物体的结果图像120示范自动化图像优化系统121超声图像数据122显示器124频率和带宽126信噪比130图像质量成本函数132输出图像134迭代的频率优化
权利要求
一种用于物体(14)的超声成像中的自动图像优化的方法(80)，所述方法(80)包括将第一超声信号传送(82)到所述物体中，所述信号具有第一多个信号参数；接收(84)表示来自所述物体的所述第一超声信号的反射的电信号的第一集合；将电信号的所述第一集合处理(86)成第一图像；评估(88)用于所述第一图像的图像质量成本函数以产生第一图像质量度量；基于所述第一图像质量度量来确定(90)第二多个信号参数；将第二超声信号传送(92)到所述物体中，所述信号具有所述第二多个信号参数；接收(94)表示来自所述物体的所述第二超声信号的反射的电信号的第二集合；将电信号的所述第二集合处理(96)成第二图像；评估(98)用于所述第二图像的图像质量成本函数以产生第二图像质量度量；比较(100)所述第一图像质量度量和所述第二图像质量度量以确定最大化的图像质量度量是否已达到；指派(102)产生了所述最大化的图像质量度量的多个信号参数作为最佳参数；使用具有所述最佳参数的超声信号为所述物体成像(104)；以及显示(106)基于具有所述最佳参数的所述超声信号的所述物体的结果图像。
2.如权利要求1所述的方法(80)，其中所述第一多个信号参数和所述第二多个信号参 数包括多个波束形成参数和多个图像处理参数。
3.如权利要求2所述的方法(80)，其中所述波束形成参数包括频率、脉冲长度、传送孔 径大小、接收孔径大小、脉冲重复频率、束线密度、聚焦区的数量及聚焦区的位置中的至少 一项。
4.如权利要求1所述的方法(80)，其中所述评估包括计算图像质量成本函数，所述图 像质量成本函数定义为多个图像质量因子的加权和。
5.如权利要求4所述的方法(80)，其中所述图像质量因子包括空间分辨率、信噪比、帧 速率、所述物体内的穿透及图像伪影。
6.一种用于物体(14)的超声成像中的图像优化的系统(10)，所述系统(10)包括 超声换能器(16)，声耦合到所述物体(14)，所述超声换能器(16)配置成将第一超声信号和第二超声信号传送到所述物体(14)中，其中所述第一超声信号 (18)和所述第二超声信号(46)分别包括第一多个信号参数和第二多个信号参数；以及将来自所述物体的反射的超声信号的第一集合(22)和反射的信号的第二集合(45)转 换成相应的电信号的第一集合(24)和电信号的第二集合(47)；处理器(28)，耦合到所述超声换能器(16)，所述处理器(28)配置成 将电信号的所述第一集合(24)和电信号的所述第二集合(47)处理成第一图像(32) 和第二图像(52)；评估用于所述第一图像(32)和所述第二图像(52)的图像质量成本函数(36)以产生第一图像质量度量和第二图像质量度量；基于所述第一图像质量度量来确定第二多个信号参数；比较所述第一图像质量度量和所述第二图像质量度量以确定最大化的图像质量度量 是否已达到；指派产生了所述最大化的图像质量度量的多个参数作为最佳参数； 使用具有所述最佳参数的超声信号为所述物体成像；以及显示监视器(34)，配置成基于来自具有所述最佳参数的所述超声信号的所成像的物 体，显示所述物体(14)的结果图像。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述处理器(28)配置成波束形成电信号的所接收的 第一集合和电信号的所述第二集合。
8.如权利要求6所述的系统(10)，其中所述图像质量成本函数(36)定义为多个图像 质量因子的加权和。
9.如权利要求8所述的系统(10)，其中所述图像质量因子包括空间分辨率、信噪比、帧 速率、所述物体内的穿透及图像伪影。
10.如权利要求6所述的系统(10)，其中所述第一多个参数和所述第二多个参数包括 波束形成参数和图像处理参数。
全文摘要
本发明名称为“用于自动超声图像优化的系统和方法”。提供一种方法，包括将具有多个第一信号参数的第一超声信号传送到物体中；接收表示该信号的反射的电信号集合并将其处理成第一图像；评估第一图像的图像质量成本函数以产生第一图像质量度量，并基于该度量来确定第二多个信号参数；将具有第二多个信号参数的第二超声信号传送到物体中，并且接收表示该信号的反射的电信号集合并将其处理成第二图像；评估第二图像的图像质量成本函数以产生第二图像质量度量；比较第一和第二图像质量度量以确定最大化图像质量度量是否已达到，以及指派产生了最大化图像质量度量的多个信号参数作为最佳参数；使用具有最佳参数的超声信号为物体成像和显示物体。
文档编号A61B8/00GK101897600SQ201010197260
公开日2010年12月1日 申请日期2010年5月26日 优先权日2009年5月26日
发明者M·塞耶德-博洛富罗什, 林峰 申请人:通用电气公司