专利名称：超声波立体成象的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及超声波立体成象的方法和设备，更具体地说，涉及通过超声波成象高速产生三维图象的方法和设备。
现在已经有利用计算机图形技术产生三维图象的方法。一种这样的传统方法一般涉及对用超声波获得的对象的多个截面视图进行所谓的阈值处理(thresholding)。更具体地说，阈值处理是从预定对象(亦即目标)的多个截面视图中提取有关它的数据，从提取出来的截面视图数据的象素建立诸如表面模型(仅由面构成的三维图象)或体积模型(既描述表面，又描述目标内部的三维图象)等的目标透视图，并令特定方向的光线照在这样形成的立体模型上，产生和显示最后的三维图象。
上述传统的方法第一个缺点是处理过程消耗大量时间。为了处理来自多个图象的象素之间的关系(这个过程的目的是根据由多个截面视图构成的体积图象数据通过计算提取(也就是产生)新的三维图象)，需要进行庞大的运算。举例来说，从多个典型的超声波图象(截面视图)产生三维图象的处理过程至少需要1分钟。
传统方法的另一个缺点是，是否真能建立随着阈值设定而改变的三维图象还是不可预知的。在利用专门指定的阈值实际地产生出三维图象之前，对于会出现什么样的三维图象，知道得很少。在为三维成象和显示决定阈值设置上，在很大程度上要靠操作者的经验和直觉知识。
因此，本发明的一个目的是提供一种在短时间内显示用超声波获得的具有深度的图象的超声波立体成象方法。
本发明的另一个目的是提供一种适合于在短时间内显示用超声波获得的具有深度的图象的超声波立体成象设备。
简而言之，本发明是要利用至少两个无畸变的视图通过立体成象表达一个具有深度的三维图象。
在本说明书的整个描述中，截面视图指的是在与超声波束平行的Z-θ(或Z-X)平面上获得的目标的视图，其中Z表示从观察点看的超声波束的方向，而θ(或X)代表超声波束扫描目标的方向。
无畸变的视图指的是与来自观察点的超声波束Z垂直相交的X-Y平面上获得的目标视图。
立体成象指的是用来这样显示在预定的基线长度两端获得的两个图象，以便从该两个图象的视差获得的透视感的成象方法。
为了具体地实施本发明，并按照它的第一个方面，提供了一种超声波立体成象方法，它包括下列步骤产生与超声波束垂直相交的被观察面的多个无畸变图象，这多个无畸变图象彼此之间具有预定的视差；并立体地显示这多个无畸变图象。
最好要准备至少两个彼此之间具有适当视差的无畸变图象，并将其显示成立体图象。
上述所发明的超声波立体成象方法产生与超声波束垂直相交的被观察面的多个无畸变图象，并显示成立体形式。这使观察者能够看到被观察面的立体图象。
在为用该方法立体地显示目标而产生无畸变图象的过程中，并不需要完成传统的三维图象处理，在传统的三维图象处理中，新的三维图象是通过由目标的多个截面视图而形成的体积图象数据的计算而提取出来的(在下文中，传统的方法简称为计算三维图象处理法)。这就意味着，涉及的这个处理过程在非常短的时间内完成。由立体成象法产生的三维视觉，使观察者对无畸变图象产生透视感。
利用上述所发明的方法，至少可以建立从两个不同的视点出发的目标的无畸变图象，并在显示时根据要求在这些图象之间切换。这使实现从不同视点看目标的多种立体视觉成为可能。
按照本发明的第二方面，提供了一种超声波立体成象设备，它包括产生无畸变图象的装置，用来产生与超声波束垂直相交的被观察面的多个无畸变图象，而这多个无畸变图象彼此之间具有预定的视差；以及立体显示装置，用来立体地显示无畸变图象产生装置所产生的多个无畸变图象。
最好准备至少两个彼此之间具有适当的视差的无畸变图象，并用上述设备显示成立体图象。
上述所发明的立体超声波成象设备产生与超声波束垂直相交的被观察面的多个无畸变图象并将它们以立体方式显示出来。这使观察者可以看到被观察面的立体图象。
在用该设备为立体显示该目标而产生无畸变图象的过程中，并不需要完成传统的计算三维图象处理。这就是说，所涉及的处理在非常短的时间内即可完成。由立体成象方法产生的三维视觉使观察者在无畸变图象上产生透视感。
利用所发明的设备，可以相对于至少两个不同的视点产生目标的无畸变图象，这些图象可以在显示时根据需要切换。这使从不同的视点看目标的各种立体视觉得以实现。
在根据本发明的立体超声波成象设备的第一种最佳结构中，无畸变图象的产生装置相对于多个视点产生多对无畸变图象，每对由两个无畸变图象构成；而立体显示装置切换视点，以便按选定的视点立体地显示对应的无畸变图象。
在按本发明的第二种最佳结构中，上述所发明的设备中的任何一个还包括两个在预定的基线长度的两端形成的二维超声波接收元件阵列，其中无畸变图象产生装置根据这两个二维超声波接收元件阵列接收的超声波数据产生无畸变图象。
利用第二种最佳结构，最好至少准备两个彼此之间具有适当视差的无畸变图象并将其显示成立体图象。
上述所发明的设备利用二维超声波接收元件阵列来获得被观察面的无畸变图象。这就意味着在非常短的时间内即可获得关于被观察面的接收的超声波数据。
因为二维无畸变图象是由该设备为立体显示而产生的，所以无需完成传统的计算三维图象处理。这就意味着，所涉及的处理在非常短的时间内完成。从立体成象方法产生的三维视觉使得观察者在无畸变图象上获得透视感。
利用所发明第二种最佳结构的设备，可以相对于至少两个不同的视点产生目标的多个无畸变图象，这些图象可在显示时按需要切换。这使从多个不同的视点观看目标的不同立体视觉成为可能。
在按本发明的第三种最佳结构中，上述所发明的任何一种设备还包括两个在预定的基线长度的两端形成的彼此平行的一维超声波接收元件阵列，该元件阵列可以沿着基线方向扫描超声波束，其中无畸变图象产生装置根据从一维超声波接收元件阵列接收的超声波数据产生无畸变图象。
利用第三种最佳结构，最好准备至少两个彼此间具有适当视差的无畸变图象，并显示成立体图象。
在它的第三种最佳结构中，所发明的设备产生与超声波束垂直相交的被观察面的多个无畸变图象，并立体地显示所产生的图象。这使观察者看到被观察面的立体图象。
利用所述最佳发明设备，用两个平行布置的一维超声波接收元件阵列的扫描获得被观察面的无畸变图象。这意味着，所接收的超声波数据是关于被观察面的，并在非常短的时间内获得。
因为二维无畸变图象是由该设备为立体显示而产生的，所以无需完成传统的计算三维图象处理。这就意味着所涉及的处理在非常短的时间内完成。从立体成象方法产生的三维视觉，使观察者在无畸变图象上获得透视感。
利用上述最佳结构的所发明的设备，可以相对于至少两个不同的视点产生目标的多个无畸变图象，而这些图象可以在显示时根据需要切换。这使从不同视点看目标的多个立体视觉得以实现。
从以下对在附图中例示的本发明的最佳实施例的描述中，将会看到本发明的其他目的和优点。
图1是实施本发明的立体超声波成象设备的方框图；图2是在图1的实施例中起关键组件作用的超声波探头的局部剖面图；图3是描述实施本发明的立体超声波成象方法的步骤的流程图；图4是在图1的实施例中用的另一种类型的超声波探头的示意图；图5是在图1的实施例中用的另一种类型的超声波探头的示意图；图6是实施本发明的立体超声波成象设备的方框图；图7是在图6的实施例中起关键组件作用的超声波探头的示意图；图8是描述实施本发明的另一种立体超声波成象方法的步骤的流程图。
现将参照附图描述本发明的最佳实施例。
《实施本发明的立体超声波成象设备第一设备方案》图1是实施本发明的并在按本发明实现立体超声波成象方法起基础作用的立体超声波成象设备的方框图。
首先参照图1描述该设备的整体构成。在图1中，标号10表示控制器，用来从整体上对该设备进行控制，调节超声波的发射与接收，以及图象处理。
振荡器11是振荡装置，它在超声波发射与接收过程中提供调制与解调用的基准信号。发射器20是发射装置，它在控制器10的控制下从振荡器11接收基准信号产生要发射的超声波电信号。
超声波探头30是电声换能器件，它把发射的超声波电信号转换成超声波束，发送到被观察的目标，它还把被观察目标反射回来的超声波信号转换回电信号。超声波探头30包括单独一个超声波发射元件31和多个超声波接收元件32和33。
超声波发射元件31是电声换能元件，它把来自发射器20的超声波电信号转换成超声波束。超声波发射元件31位于靠近被观察对象的目标部位的位置上，向被观察面发射超声波束。
超声波接收元件32和33是电声换能元件，安排得彼此相隔预定的距离(用基线长度表示，在下文中将有描述)。这些元件接收从被观察的对象反射回来的超声波信号，并将接收的信号转换成被接收的超声波电信号。
超声波接收元件32和33位于靠近被观察对象的目标部位的位置上，以便接收从那里反射回来的超声波信号。元件32和33各由一个在X-Y平面上的二维超声波接收元件阵列或一个在X方向形成并可在Y方向扫描的一维超声波接收阵列构成。
在下文的叙述中，X-Y平面将表示被观察的目标中的无畸变平面(亦即与发射的超声波束垂直相交的平面)。X方向指的是被观察目标的深度(亦即沿着所发射的超声波束的方向)。
接收器40根据得自两个超声波接收元件32和33接收到的超声波电信号的被观察面的这些无畸变图象产生立体图象。接收器40包括解调器41和42、二维FFT(快速傅里埃转换)单元43和44，以及图象处理器45和46。解调器41和42通过积分检测或类似的处理对所接收的超声波电信号进行解调。二维FFT单元43和44通过二维快速傅里埃转换(FFT)从解调了的数据获取二维图象。图象处理器45和46通过对图象数据进行诸如坐标变换和扫描频率转换等适当的处理产生可供显示的图象信号。
显示单元50把接收器40产生的无畸变图象显示成立体图象。显示单元50包括能够显示立体图象的各种指示器和观察器。
图2是超声波探头30的局部剖面视图。该视图表示利用两个二维超声波接收元件阵列的典型配置。
在图2的例子中，超声波发射元件31处于中心位置。在该元件31的两侧是超声波接收元件32和33，它们被安排在基线长度的两端(亦即两个立体观察视点之间的相对距离)。基线长度最好大体上等于观察者两眼之间的距离(约6cm)。
超声波发射元件31以及超声波接收元件32和33在它们面向目标的一侧分别装有声透镜34a至34c。这些透镜对发射和接收的超声波束起聚焦作用。朝向和离开透镜34a至34c的超声波束在目标60的被观察面上的会聚位置应该与一个超声波接收元件32接收的超声波束的中心轴与另一个超声波接收元件33接收的超声波束的中心轴相交的位置一致。在被观察面上，一致点附近被观察得最清楚。
《实施本发明的立体超声波成象方法第一方法方案》下面描述实施本发明的立体超声波成象方法是如何结合所发明的立体超声波成象设备而实现的，以及该设备如何工作。
图3是步骤流程图，描述如何与所发明的设备协调地执行按本发明的超声波成象方法。本方法主要包括三个步骤。现参照图3逐个描述这些步骤。
(1)发射和接收超声波束(图3步骤1)发生器20产生的发射超声波电信号送到超声波探头30内的超声波发射元件31。该元件31将要发射的超声波电信号转换成超声波信号，并将转换出来的信号送往被观察的目标。
发射的超声波信号到达目标，被目标反射和散射。这样被反射和散射的信号回到超声波探头30，并被转换成接收的超声波电信号(亦称被接收的超声波信号)。
在这种情况下，超声波接收元件32和33的分开的位置，引起目标60附近任何对象的明显的相对位置差(亦即视差)。这样，接收的超声波电信号便反映所涉及的视差。
传统的CW多普勒系统足以用作本发明所用的超声波束发射和接收系统。因为该系统只需要产生无畸变图象。
(2)产生无畸变图象(图3的步骤2)由超声波探头30这样产生和接收的超声波电信号由解调器41、42解调。解调是通过积分检测或类似处理，以振荡器11产生的信号为基准而完成的。
解调后的数据送往二维FFT单元43和44。FFT过程从解调的数据产生有关与视线(亦即超声波束)垂直相交的被观察面的无畸变图象。
该配置包括作为超声波接收元件32和33的两个二维超声波元件阵列。这使它有可能在非常短的时间内产生两个无畸变图象(用于正投影法)和与此相联系的视频信号。
(3)产生立体图象(图3步骤3)由二维FFT单元43和44产生的图象数据供给图象处理器45和46。图象处理器45和46对图象数据进行诸如坐标变换和扫描频率转换等必要的处理，以此为立体图象显示产生其扫描频率与显示单元50相匹配的视频信号。
给出由无畸变图象产生的视频信号，并安排立体图象显示，显示单元50便提供立体图象显示。在这种情况下，任何能够显示立体图象的显示装置或监视器均可使用。
具体地说，彼此间有视差的两个无畸变图象在CRT(阴极射线管)显示单元或液晶显示单元上相隔基线长度被显示。利用平行观察法或交叉观察法注视所显示的图象时，观察者就会获得基于视差的透视感。
单独一个无畸变图象只是一个无深度感(亦即在超声波束(Z轴)方向的数据)的二维图象而已，而两个无畸变图象就会以立体图象的形式呈现出来，提供深度感。这使观察者在所显示的无畸变图象的视场中清晰地看到远的和近的物体。
立体图象显示的另一种配置可涉及细双凸透镜装置的使用，在它的后面两个无畸变图象被分开并交换位置。还可以使用其他任何一种适用的立体图象显示方法。
上述处理作为一个整体同时提供了二维图象数据的产生和显示。即使在产生无畸变图象的时候，也可以为立体成象实时地开始作必要的准备。这使它有可能以相当高的速度进行超声波立体成象和显示。
《从上述实施例中可以得到的好处第一部分》以上详细地描述的本发明的实施例提供了下列主要的好处(1)为立体显示产生和显示与所加的超声波束垂直相交的被观察面的多个无畸变图象。通过取得基于无畸变图象的被观察面的立体图象，观察者可以在视场中清晰地看到远的和近的物体。
(2)对于立体成象，二维超声波接收元件阵列用来获得被观察面的无畸变图象。这就有可能在非常短的时间内获取有关被观察面的接收的超声波数据。
(3)为立体显示产生了两个无畸变图象，所以所需的处理就仅仅涉及有关两个二维图象的数据的产生。由于不必通过计算进行三维图象处理，故数据的产生及其显示在非常短的时间内实时地完成。
《其他方案》在本发明的上述实施例中，超声波接收元件32和33是由二维超声波接收元件阵列构成的。作为另一方案，超声波接收元件32和33可用以下方法改变如图4所示，可以提供超声波接收元件32’和33’，它们每个都包括排列成与绘图纸面垂直(X方向)的一维超声波接收元件阵列。使元件32’和33’的超声波接收面与被观察面61平行。
超声波接收元件32’和33’用适当的机制互锁，这应使元件在φ(Y)方向上能够象瓷砖般铺在一起。元件在φ方向上平铺是由观察者手工完成的或者机械地完成的。
在上述配置中，如图5所示，超声波接收元件32’和33’各由一个X方向的一维超声波接收单元阵列构成，在φ方向上扫描。扫描操作产生X-Y平面上的彼此之间具有视差的两个无畸变图象。
这样获得的两个无畸变图象显示成立体图象。观察者注视显示器上的立体图象，就会得到一种基于视差的透视感。
如上所述，产生了与所加的超声波束垂直相交的被观察面有关的多个无畸变图象。显示所述无畸变图象，以便立体成象。注视被观察面的立体图象，观察者便在视场中获得透视感。
在上述情况下，两个能够以互锁的方式扫描的二维超声波接收元件阵列提供被观察面的两个无畸变图象。这就有可能在非常短的时间(亦即完成一次扫描的时间)内获取有关被观察面的接收的超声波数据。
既然是用两个无畸变图象来产生立体图象，所需的处理就只涉及有关两个二维图象的数据的产生。没有必要通过计算来完成三维图象处理，所以整个处理过程完成得非常快。
《实施本发明的立体超声波成象设备第二设备方案》参照图1，2，4和5所描述的立体超声波成象设备具有一对(亦即两个)超声波接收元件阵列，用来产生立体图象。这意味着该实施例所具有的视点是由超声波接收元件阵列当前所处的位置决定的。
把上述对于视点确定的特点加以扩充时，就有可能实现所发明的设备的另一方案，它包括彼此之间具有多种视差的多个超声波接收元件。这些元件用来产生无畸变图象，后者可以切换，从而可以一个视点一个视点地观看。
更具体地说，如图6所示，装设多个超声波接收元件38a至38e。以数字的形式给出接收器40的组件(解调器46a至46e、二维FFT单元47a至47e、图象处理器48a至48e)这些数字表示由作为其构件的超声波接收元件进行的处理过程。所述超声波接收元件中的每个都产生无畸变图象。
视点改变单元49在控制器10的控制下起根据要求的视点选择无畸变图象的作用。无论何时，选定了新视点，显示单元50就显示与所选视点一致的无畸变图象。根据要求切换视点。
上述配置用的超声波探头30，举例来说，可以包括一维超声波接收元件38a至38e，如图7所示形成彼此平行的形式。
以图7为例，视点由一方面是所选的超声波接收元件之间的距离、另一方面是所选元件之间的基线长度之间的关系决定。视点的位置随着超声波接收元件彼此间是如何选择而改变。
图7中如同下面那样举例说明视点的确定视点(1)由超声波接收元件38a至38c决定视点(2)由超声波接收元件38b至38d决定视点(3)由超声波接收元件38c至38e决定装设的超声波接收元件越多，视点切换的步距就越小。图6表示涉及一维超声波接收元件阵列的典型配置，而图2的涉及二维超声波接收元件阵列的配置也有这个视点切换特点。在图2的配置中，只需装设多对超声波接收元件，就能依次选择多个视点中的任何一个。
《实施本发明的立体超声波成象方法第二方法方案》图8是步骤流程图，它勾画出实施本发明的另一个立体超声波成象方法是如何结合所发明的立体超声波成象设备加以实现的。
图8的立体超声波成象方法主要包括四个步骤。现将参照图8逐个描述这些步骤。
(1)发射和接收超声波束(图8步骤1)由发射器20产生的发射的超声波电信号被送到超声波探头30内的超声波发射元件31。元件31把发射的超声波电信号转换成超声波信号，并将转换出来的超声波信号发送到待观察的目标。
到达目标的发射的超声波信号被目标反射和散射。这样被反射和散射的一部分信号回到超声波探头30，并被转换成接收的超声波电信号(亦称接收的超声波信号)。
在这种情况下，超声波接收元件38a至38e分开的位置造成目标60附近任何对象的明显的相对位置差(亦即视差)。于是，接收的超声波电信号反映了所涉及的视差。
(2)产生无畸变图象(图8步骤2)
由超声波探头30这样产生和接收的超声波电信号被解调器46a至46e解调。解调是以振荡器11产生的信号为基准，通过积分检测或类似的处理方法完成的。
解调后的数据被送到二维FFT单元47a至47e。从解调后的数据，FFT单元产生有关与视线(亦即，所加的超声波束)垂直相交的被观察面的无畸变图象。
上述配置产生代表来自每个超声波接收元件38a至38e的所接收的超声波数据的被观察面的无畸变图象(为无畸变图象学)。这就有可能在非常短的时间内产生表示每个无畸变图象的视频信号。
(3)产生立体图象(图8步骤3)二维超声波接收元件阵列47a至47e产生的图象数据，送到图象处理器48a至48e。图象处理器48a至48e对图象数据进行诸如坐标变换和扫描频率转换等必要的处理，以此产生视频信号，后者的扫描频率与显示立体图象用的显示单元50相匹配。
在这样产生的无畸变图象中，视点改变单元49初始时选择其视频信号与第一视点对应者。在显示单元50上显示用于显示立体图象的所选择的视频信号。
即使在针对第一视点产生无畸变图象的时候，在此同时就可以对立体图象显示过程进行初始化。这就使相当高速的立体超声波成象和显示成为可能。
(4)改变视点(图8步骤4和5)当观察者命令改变视点时，视点改变单元49选择相对于另一视点的视频信号，并使显示单元50作相应显示。有两种用来选择用于显示的新视点的方法观察者具体地指定要求的视点，或者就由控制器响应依次逐一选择视点的视点改变指令。
依次切换视点显然会使单一的视点连续地改变其位置。这就有可能使目标立体图象显得目标好象在转。于是观察者在视场中就会得到更精确的透视感。
为了在上述情况下实现立体成象，可以使用任何能够显示立体图象的显示器或观察器。举例来说，在CRT显示单元或液晶显示单元上在基线长度两端显示两个彼此具有视差的无畸变图象。利用平行观察法或交叉观察法注视所显示的图象，观察者就会获得一种基于视差的透视感。
单独一个无畸变图象只是一个无深度(亦即在超声波束(Z轴)方向上的数据)的二维图象，而两个无畸变图象却能呈现出有深度的立体图象。这使观察者在所显示的无畸变图象的视场上清晰地看到远的和近的物体。
《上述实施例提供的好处第二部分》以上详细地描述的本发明的各种方案提供下列好处(1)产生和显示用于立体显示的与所加的超声波束垂直相交的被观察面的多个无畸变图象。基于无畸变图象获取被观察面的立体图象，观察者可以在视场内得到远近物体的清晰画面。
(2)为了立体成象，利用多个二维超声波接收元件来获得被观察面的无畸变图象。这就有可能在非常短的时间内获取有关被观察面的接收到的超声波数据。
(3)由于为了立体显示而产生多个无畸变图象，所以所需的处理过程只涉及二维图象数据的产生。无需通过计算进行三维图象处理(亦即从多个二维截面图象产生三维图象)，所以数据的产生及其显示都能非常迅速地实时地完成。
(4)可以对多个视点中的每一个依次切换立体图象。这使观察者可以从依次改变的稍有不同的每一个视点进行观察的同时，对目标能够获得更加精确的透视感。在这种情况下，也无需完成三维成象。只需产生二维图象数据，整个过程在非常短的时间内完成。
在不离开本发明的精神和范围的情况下，可以构造出许许多多各种不同的本发明的实施例。应该明白，本发明只由后附的权利要求书定义，并不限于本说明书所描述的特定的实施例。
权利要求
1.一种立体超声波成象方法，其特征在于包括下列步骤产生多个与超声波束垂直相交的被观察面的无畸变图象，所述多个无畸变图象彼此之间具有预定的视差；以及立体地显示所述多个无畸变图象。
2.一种立体超声波成象设备，其特征在于包括无畸变图象产生装置，用来产生多个与超声波束垂直相交的被观察面的无畸变图象，所述多个无畸变图象彼此之间具有预定的视差；以及立体显示装置，用来立体地显示所述无畸变图象产生装置所产生的所述多个无畸变图象。
3.权利要求2的立体超声波成象设备，其特征在于，所述无畸变图象产生装置产生多对相对于多个视点的无畸变图象，每一对由两个无畸变图象构成；以及所述立体显示装置切换所述视点，立体地显示与所选视点对应的无畸变图象。
4.权利要求2或3的立体超声波成象设备，其特征在于还包括两个在预定的基线长度两端形成的二维超声波接收元件阵列，以及所述无畸变图象产生装置根据来自所述的两个二维超声波接收元件阵列的接收到的超声波数据产生无畸变图象。
5.权利要求2或3的立体超声波成象设备，其特征在于，它还包括两个在预定的基线长度两端形成的彼此平行的一维超声波接收元件阵列，所述元件阵列能够沿着基线的方向扫描超声波束，以及所述无畸变图象产生装置根据来自所述两个一维超声波接收元件阵列的接收到的超声波数据产生无畸变图象。
全文摘要
一种在非常短的时间内显示一种能产生透视感的超声波图象的立体超声波成象设备。该设备包括两个排列在预定距离两端的二维超声波接收元件阵列；无畸变图象产生装置，用来产生多个与所加的超声波束垂直相交的被观察面的无畸变图象，该多个无畸变图象彼此之间具有预定的视差、并且是根据接收到的由所述元件阵列获得的超声波数据产生的；以及立体显示单元，用来立体地显示所述畸变图象产生单元产生的所述多个无畸变图象。
文档编号G01S15/89GK1167916SQ97110279
公开日1997年12月17日 申请日期1997年4月4日 优先权日1996年4月4日
发明者竹内康人 申请人:通用电器横河医疗系统株式会社