一种超声非线性成像方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于医学技术领域，涉及一种超声成像技术，具体涉及一种超声非线性成 像方法及系统。
【背景技术】
[0002] 超声影像技术具有无电离辐射、无侵入伤害、可实时成像、检查费用低等优点，在 临床诊断与治疗中得到了非常广泛的应用，适用于从心血管到肝脏、肾脏等腹部器官以及 妇产科、乳腺等全身多部位的诊断。
[0003] 长期以来，医学超声系统的理论基础都是简化的线性声学物理模型。这一模型认 为声源的发射频率是介质中出现的唯一频率成分以及声源照射强度的增加将导致介质中 任一点的强度成线性增长。在这两个假设下不再考虑超声波的非线性效应。
[0004] 但是随着医学超声系统所使用的频率和强度的不断提高，医学超声中已经出现不 可忽视的非线性效应。实际上，所有的传声介质包括生物组织都具有一定程度的非线性特 性。近几年出现了基于超声波非线性传播过程中产生高次谐波现象的超声影像方法，即组 织谐波成像（THI :tissue harmonic Imaging)。针对非线性传播过程中产生的高次谐波分 量，将其提取成像。
[0005] 除谐波滋生以外，超声波在介质内部传播过程中发生的非线性效应还有波形畸变 和非线性附加衰减。即发送至被检体内的超声波在传播过程中波形发生失真，从频谱上看， 高次谐波分量逐渐增强。与此同时，由于超声波能量向高次谐波转移，从基波能量来看，除 了一般的线性衰减以外，还附带了额外的非线性附加衰减。非线性效应的强弱除与声源所 发出超声波的频率、强度等因素有关外，还与介质所固有的非线性声参量的大小以及空间 分布有关。
[0006] 有大量研宄证实，生物组织所固有的非线性声参量对生物组织在组份、结构及病 理状态方面的变化更为敏感。然而基于线性理论假设的医学超声设备无法对组织中的非线 性声参量的空间分布进行有效的探查。对于组织内部非线性声参量的空间和时间分布的有 效成像，在临床上将会产生巨大的经济和社会效益。
[0007] 在美国专利No. 4771786中，使用多次发射具有不同强度的脉冲来对与累积的非 线性效应有关的变量进行成像。沿扫描线在不同深度上发射具有不同强度的超声波脉冲， 并接收其回波。通过对回波的处理，计算出一个与组织内部非线性效应相关的一个变量。将 此变量的幅值沿扫描线按深度方向显示在显示器上，以此作为物体内部非线性效应强弱分 布的反映。
[0008] 在 M. Fatemi 等"Real-time Assessment of The Parameter of Nonlinearity in Tissue Using "Nonlinear Shadowing""中，以 M. Nikoonahad 和刘东权等"Pulse-echo single frequency acoustic nonlinearity parameter (B/A)measurement" 中提出的有限 振幅超声波非线性传播的基波近似解析解为基础，沿扫描线发射两次强度差别极大的超声 激励脉冲，增益补偿后的基波回波包络进行相减并作为成像结果显示出来。其方法假设小 振幅信号的非线性效应可忽略，因此显示的结果就仅包含与介质内部非线性声参量大小分 布相关的非线性效应强弱分布。
[0009] 美国专利No. 4771786中，由于需要在不同深度上使用不同的强度多次发射并接 收，需要较长的数据采集、存储以及处理的时间。不利于医学超声的实时成像。且其成像结 果是与被检物体内超声波衍射、散射、回波形成以及非线性效应等相关的若干变量，无法准 确反映被检物体非线性声参量的空间分布。M. Fatemi和J. F. Greenleaf的方法需要极高电 压的超声激励脉冲，导致医学超声影像设备的MI (机械指标）无法满足人体安全性相关要 求从而在医学超声影像系统上无法实现。而且目前医学超声影像设备发射的超声波并不满 足小振幅信号假设，导致此方法的成像原理存在较大缺陷。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提供一种能够针对超声波在介质内传播的 非线性效应进行成像的方法和装置，能对生物组织内部非线性声参量的空间分布进行实时 成像。
[0011] 为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
[0012] 一种超声非线性成像系统，包括脉冲发生器和激励脉冲电压放大电路，其中，脉冲 发生器发送的激励电压至少包括第一激励电压和第二激励电压，第一激励电压和第二激励 电压的大小不同，且不同激励电压的发送变化周期小于10微秒级；所述系统还包括模拟放 大器和模数转换器，接收与上述发射电压快速变化的激励脉冲相对应的回波信号，进行相 应的增益放大后进行模数转换；前端控制器，对超声前端的发射部分和接收部分分别进行 实时控制，使激励脉冲的发射电压和相对应的回波信号的放大增益成一定的比例关系；存 储器，放大后的回波信号经过模数转换、波束形成、正交解调，然后进入存储器，不同激励电 压产生的回波信号分别存储；非线性预处理单元，输入的不同激励电压增益比的回波包络 信号首先进行针对非线性效应的深度（时间）补偿等非线性预处理；非线性处理单元得到 非线性预处理后的包络信号，通过对数变换、减法处理等运算生成与上述被检体内非线性 声参量分布相关的非线性图像。
[0013] 本发明还提供了一种超声非线性成像方法，包括以下步骤：
[0014] 将激励电压变化的超声波发送入被检体内，激励电压至少变化两次，激励电压的 变化周期小于10微秒级；接收分别与上述至少两次的发送相对应的回波信号；针对接收的 信号，通过控制系统整体增益使回波信号放大增益与激励电压之间满足一定比例关系；采 用放大增益控制后的回波包络信号，通过非线性预处理、对数变换以及减法处理来消除被 检体内线性衰减、回波形成能力、超声波衍射等的影响，生成在上述被检体内的超声非线性 图像。
[0015] 与现有技术相比，本发明的有益效果：在本超声波诊断装置中，采用在同一位置发 射两次具有相同频率和不同激励电压的超声波脉冲，针对这两次发射接收与其对应的回波 信号。接收到的回波信号会根据激励电压的峰峰值之比，进行相应比例的系统整体增益放 大。通过对前后两次激励电压与整体增益成一定比例的回波信号之包络在进行对数变换之 后进行相减处理，去掉回波包络信号中与系统增益、介质的声阻抗、散射特性、衍射效应等 相关的分量，提取出基波回波包络信号中只与被检体内非线性效应强弱分布有关的信息。 采用计算出的信号强度的差，生成针对扫描剖面的各位置通过亮度表示非线性效应强度的 非线性图像。因此，能够生成非线性图像，能够直观且足够敏感的进行例如肝脏组织富脂肪 化的程度、乳房脂肪组织和乳腺组织的分布、早期肿瘤的诊断等的评价。
[0016] 并且，能够以并列显示、重叠显示等期望的方式显示一般的超声波B模式图像和 非线性图像。因此，在观察图像时，能够使用通常的超声波B模式图像对组织结构进行容 易且快速的定位，使用非线性图像对与非线性效应强度相对应的超声波的强弱情况进行容 易、快速的观察或诊视。进而能够通过与非线性效应强度相关的彩色显示，能够提供更直 观、视觉敏感度高且更定量的非线性图像。
【附图说明】。
[0017] 图1本发明构建的超声诊断成像装置系统实施例的原理框图。
[0018] 图2是本发明实施方案中成像函数值与被检体非线性声参量的函数关系。
[0019] 图3是本发明实施例中的流程图。
[0020] 图4是本发明实施例中激励脉冲波形图。
[0021] 图5是上述实施例中接收到的回波信号帧结构。
[0022] 图6是上述实施例中一种可能的合成显示方式示意图。
[0023] 图7是上述实施例中色彩映射表示意图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合试验例及【具体实施方式】对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解 为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本
【发明内容】
所实现的技术均属于本 发明的范围。
[0025] 本发明的一个实施例，提供了一种超声非线性成像方法，将激励电压变化的超声 波发送入被检体内，激励电压至少变化两次，激励电压的变化周期小于10微秒级；接收分 别与上述至少两次的发送相对应的回波信号；针对接收的信号，通过控制系统整体增益使 回波信号放大增益与激励电压之间满足一定比例关系；采用放大增益控制后的回波包络信 号，通过非线性预处理、对数变换以及减法处理来消除被检体内线性衰减、回波形成能力、 超声波衍射等的影响，生成在上述被检体内的超声非线性图像。
[0026] 本发明提供的一个超声非线性成像系统的具体实施例，如图1示出。如该图所示， 本超声波诊断装置主体100包括：发射/接收开关101、电压放大电路102、脉冲发生器103、 前端控制器104、模拟放大器105、模数转换器107、波束形成/滤波/正交解调/包络检波 107、存储器109、图像生成单元IKKB模式处理单元111、非线性预处理单元112、非线性处 理单元113、图像合成显示单元114、中心控制处理器108。装置内的前端控制器104等有时 是由FPGA、集成电路等硬件构成，但有时也是软件上被模块化的软件程序。
[0027] 以下针对各组成要素的功能说明他们直接的连接关系和信号传递关系。
[0028] 超声波探头21连接到发射/