用于反向波束成形的系统和方法
【专利摘要】本发明提供一种针对时延反向波束成形的系统和方法。一种方法包括：在时间上大体均匀地对连续时间单元信号集合采样以便形成采样单元信号集合；以及针对每个采样单元信号，将大体等时间间隔的一个或多个样本映射至对应于每个单元信号在连续时间波束和信号中的比重而非等时间间隔的一个或多个样本上。所述方法还包括形成在时间上大体均匀地从非均匀间隔的映射样本采样的波束和信号，所述非均匀间隔的映射样本对应于每个采样单元信号。
【专利说明】用于反向波束成形的系统和方法
【技术领域】
[0001]本说明书公开的本发明大体涉及成像系统以及方法，并且更具体地，涉及用于在超声成像系统中执行反向波束成型的系统和方法。
【背景技术】
[0002]医疗诊断超声是采用超声波来探测患者身体声学特性并且产生对应图像的成像模式。声波脉冲产生以及返回回波检测通常通过位于探针中的多个变换器来实现。通常，此类变换器会包括机电单元，所述机电单元能将电能转换成机械能以进行传输并将机械能转换回电能以实现接收目的。一些超声探针包括布置成单元线性阵列或二维矩阵形的多达数千的变换器。
[0003]波束成形装置通常是与超声探针关联，以便组合来自每个变换器单元的信号，从而增强对从所需聚焦深度和方向接收到的声能的响应。在某些超声系统中，在时间上均匀地对波束成形装置的输入和输出两者、单元信号和波束和信号进行采样。在某些系统中，波束成形装置聚焦功能通过以下方式实现:针对每个波束和样本来计算每个单元信号中的对应时间，所述对应时间考虑到了声能从变换器发射、在所需焦点处从散射器反射并返回至此单元的传播时间。通常，聚焦功能所使用的这个传播时间将并不与所提供的均匀间隔开的单元样本中的一个对应。在一些传统波束成形装置中，聚焦时间上的值通过以下方式获得:插入可用均匀间隔 开的单元样本，以便近似在聚焦时间上对单元信号采样时将会获得的值。
[0004]这种插值可以在如常规专用集成电路(ASIC)的专用硬件中执行，或在如通用处理器(CPU或中央处理单元)或图形处理单元(GPU)的计算机处理器中执行。第一实现方案可以称作硬件波束成形装置，并且第二实现方案可以称作软件波束成形装置。
[0005]在一些应用中，计算来自同一单元信号集合、即来自在单个发射事件中所获取的数据的一个以上波束和信号是有用的。这增加了最大图像显示速率，因为在所需二维扫描区域上或三维体积上形成图像所要求的传输发射(transmit firing)数量减少。在硬件波束成形装置中，在单元信号样本产生并且随后弃置时，通常顺序处理所述单元信号样本。形成多波束和通常要求针对每个波束和来复制插值硬件。就能力和成本而言，这可能会成本较高，尤其是在每个发射事件需要许多(例如，约16至64)接收光束时所进行的体积成像过程中。
[0006]在软件波束成形装置中，通常暂时将用于一个或多个传输发射的单元信号样本存储在存储器中，并且插值软件从存储器存取所要求的样本。在软件波形装置中，可计算的接收波束数量主要受到处理器可执行计算时的速率限制。在许多应用中，相比硬件波形装置，软件波形装置在功耗和成本方面具有显著优点。
[0007]计算速度是由以下两者确定:处理器的原始速度、即在处理器中执行数学运算时的速率，以及存储带宽、即可从处理器中读出数据并将所述数据写入存储器中时的速率。存储带宽可为如软件波束成形的应用中的限制因素，其中仅仅少量数据运算需要在极大数量样本中的每个样本上执行。这在无法顺序寻址特定应用中的存储器时尤其如此，因为介于处理器与存储器之间的接口通常高度优化用于顺序存储存取。不幸地是，计算软件波束成形装置中的多波束和所用常规方法要求重复、非顺序存取存储在存储器中的数据，从而限制系统效率。
【发明内容】
[0008]在一个实施例中，一种方法包括:在时间上大体均匀地对连续时间单元信号集合采样以便形成采样单元信号集合；以及针对每个采样单元信号，将大体等时间间隔的一个或多个样本映射至非等时间间隔的一个或多个样本上，这对应于每个单元信号对连续时间波束和信号的相应贡献。所述方法还包括了形成在时间上大体均匀地从对应于每个采样单元信号的非均匀间隔的映射样本采样的波束和信号。
[0009]作为优选，形成所述波束和信号包括插入所述一个或多个非均匀间隔的样本。
[0010]作为优选，通过非采样波束和信号中的非均匀间隔值来形成所述波束和信号包括在一对或者多对非均匀间隔的样本之间线性插入零或多个样本。
[0011]作为优选，形成所述波束和信号包括:与所述采样单元信号相比，对所述波束和信号进行过采样；将所述非均匀间隔的样本分配至最近过采样的位置；以及将所述过采样的波束和信号的采样速率减小至所需采样速率。 [0012]在另一实施例中，一种超声系统包括:具有一个或多个变换器的变换器阵列；发射器，其适于将电气信号发射至所述变换器阵列；接收器，其适于在所述一个或多个变换器检测到超声回波时接收由所述 变换器阵列产生的电气信号；发射器/接收器开关电路，其连接到所述变换器阵列上并适于开关所述发射器和所述接收器；模数转换器，其适于从所述接收器接收对应于所述超声波的模拟数据并将所述模拟数据转换成数字单元信号。所述系统还包括了波束成形装置，所述波束成形装置适于接收并且处理所述数字单元信号以便使波束和信号形成。所述波束成形装置适于:在时间上大体均匀地对连续时间单元信号集合采样以便形成采样单元信号集合；针对每个采样单元信号，将大体等时间间隔的一个或多个样本映射至非等时间间隔的一个或多个样本上，这对应于每个单元信号对连续时间波束和信号的相应贡献；以及形成在时间上大体均匀地从对应于每个采样单元信号的非均匀间隔的映射样本米样的波束和信号。
[0013]作为优选，波束成形装置配置用于通过插入所述一个或多个非均匀间隔的样本以形成所述波束和信号。
[0014]作为优选，波束成形装置配置用于通过在一对或者多对非均匀间隔的样本之间线性插入零或多个样本而从非采样的波束和信号中的非均匀间隔的值来形成所述波束和信号。
[0015]作为优选，包括处理器，处理器配置用于从所述波束成形装置接收所述波束和信号并处理来自各种发送事件的波束和信号以形成对应于图像的图像数据。
[0016]作为优选，包括扫描转换器，用以接收所述图像数据并将所述图像数据转换成几何校正像素数据。
[0017]作为优选，包括显示器处理器，所述显示器处理器配置用于从所述扫描转换器接收所述数字像素数据并对所述数字像素数据进行滤波和转换以产生模拟数据。[0018]作为优选，进一步包括显示器，其中所述显示器处理器配置用于将对应于所述数字像素数据的所述模拟数据显示在所述显示器上。
[0019]作为优选，包括用户接口，所述用户接口配置用于接收一个或多个用户输入以使所述用户能够控制显示在所述显示器上的所述图像的一个或多个参数。
[0020]作为优选，包括远程连接模块，所述远程连接模块连接至所述波束成形装置上并且配置用于将所述波束成形装置连接到外部网络上。
[0021]作为优选，包括连接到配置用于存储对应于所述超声回波的数据的成像数据库上的成像工作站。
[0022]作为优选，包括图像数据库，所述图像数据库连接到所述波束成形装置上并且配置用于能够将超声图像数据从所述图像数据库发送到与所述波束成形装置关联的存储器上。
[0023]在另一实施例中，一种计算机可读媒介对一个或多个可执行的例程进行编码所述可执行的例程在由处理器执行时致使所述处理器来执行行为，所述行为包括:在时间上大体均匀地对连续时间单元信号集合采样以便形成采样单元信号集合；针对每个采样单元信号，将大体等时间间隔的一个或多个样本映射至非等时间间隔的一个或多个样本上，这对应于每个单元信号对连续时间波束和信号的相应贡献；以及形成在时间上大体均匀地从对应于每个采样单元信号的非均匀间隔的映射样本采样的波束和信号。
[0024]作为优选，形成所述波束和信号包括插入所述一个或多个非均匀间隔的样本。
[0025]作为优选，通过非采样的波束和信号中的非均匀间隔的值来形成所述波束和信号包括在一对或者多对非均匀间隔的样本之间线性插入零或多个样本。
[0026]作为优选，形成所述波束和信号包括:比起所述采样单元信号，对所述波束和信号过采样；将所述非均匀间隔的样本分配至最近过采样的位置；以及将所述过采样的波束和信号的采样速率减小至所需采样速率。
[0027]作为优选，所述处理器进一步配置用于执行所述行为，包括处理来自各种发射事件的波束和信号以便形成对应于图像的图像数据。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]在参照附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面及优点，在附图中，相似符号表示相似零件，其中:
[0029]图1是根据本技术的超声系统的实施例的图解视图；
[0030]图2是根据实施例的波束成形几何图形的图解视图；
[0031]图3是示出波束成形技术实例的图解视图；
[0032]图4是示出反向波束成形技术的实施例的图解视图；
[0033]图5是示出反向波束成形方法的实施例的流程图；
[0034]图6是示出波束成形技术中的样本映射实例的图解视图；
[0035]图7是示出反向波束成形技术中的样本映射的实施例的图解视图；
[0036]图8是示出根 据实施例的输出缓冲器中代表值的图；
[0037]图9更详细地示出图8的图的一部分；
[0038]图10是示出数字低通滤波器中的值的实施例的图，所述数字低通滤波器可以用于对存储在图8的输出缓冲器中的值进行滤波；以及
[0039]图11是根据实施例的示出在通过低通滤波进行修改并抽取之后存储在图8的输出缓冲器中的过采样的波束和信号的代表值的图。
【具体实施方式】
[0040]波束成形中的延时函数通常描述并实现为从波束和信号中的均匀间隔输出样本时间至单元信号中的非均匀间隔的采样时间映射。由于所提供的输入样本在时间上均匀间隔，因此所需输入值是通过插值获得。然而，如在下文更详细地描述，本说明书提供涉及一种使此映射反向的新颖波束成形方法的系统和方法。更确切地，在所提供的实施例中，延时函数被重写以将单元信号中提供的均匀间输入样本时间映射至波束和信号中非均匀间隔的输出样本时间。在所提供的实施例中，所需均匀间隔输出样本值是通过插值而从非均匀至均匀采样时间栅格获得。在这种“反向波束成形”方法目前公开的实施例中，仅需存取每个单元样本一次，无论从给定单元样本集合计算的波束和信号的数量多少都是如此。上述特征可以例如在软件波束成形中是有利的，尤其是当使用同一单元样本集合计算大量的波束信号时，其中存储带宽可为限制因素。目前公开的反向波束成形方法和系统的这些和其他特征将在下文更详细地描述。
[0041 ] 现在转至附图，图1是根据本发明的实施例的超声系统的实施例的图解视图。所示超声系统10包括示例组件，其以适于数据获取和处理的方式连接。然而，所示实施例仅仅是示例，而不意在限制目前公开的实施例所所涵盖的形式、组件或数据流。实际来说，在其他实施例中，系统10的架构和模块可以包括各种硬件和软件组件。例如，系统可以包括硬件组件，如具有数字信号处理器的电路板。另外，系统10可以具有在多种媒介、存储装置或如个人计算机的硬件上可执行的计算机可读指令。
[0042]在所示实施例中，压电变换器阵列18设有前面(front face)或声学透镜结构19，其适于接触对象16以便能够执行超声扫描而来分析对象16的内部特征。通常，同一变换器以脉冲-回波模式同时产生并且接收超声能量，但变换器上不同单元可在一些实施例中用于这些功能。
[0043]变换器阵列18通过发射器/接收器开关电路22连接到发射器24和接收器26上。发射器/接收器开关电路22开关变换器阵列18与发射器24和接收器26之间的电气连接。在操作中，发射器24在必须将超声能量发射到对象16的身体中时连接到变换器阵列18上，并且接收器电路26在变换器阵列18从对象16的组织层接收回波信号时连接到变换器阵列18上。
[0044]也就是说，所示变换器阵列18包括双向变换器。当将超声波发射到对象16上时，使超声波从对象16内的组织和血液反向散射(backscattered)。变换器阵列18中的变换器单元在不同时间上接收反向散射的波，具体是取决于进入其从中返回的组织中的深度以及相对其返回到的变换器阵列18的表面的角度。变换器单元是响应反向散射的波并将来自反向散射的波的超声能量转换成电气信号。
[0045]由变换器阵列18接收的电气信号通过发射器/接收器开关电路22路由到接收器26上。接收器26在适当增益补偿后放大所接收的信号，并且模数转换器(ADC) 20将这些从每个变换器阵列单元接收的模拟信号转换成在时间上经均匀采样的数字化的信号，所述数字化的信号暂时存储在系统存储器33中。数字化的信号对应由每个变换单元在不同时间接收的反向散射的波。数字化后，信号仍会保留反向散射的波的幅度和相位信息。
[0046]系统处理器32从系统存储器33检索单元信号并将其发射到波束成形装置存储器
23。在一些实现方案中，系统处理器32可以修改单元信号，如将其转换成基带信号或对信号进行压缩。在其他实现方案中，在将信号存储在系统存储器33中之前，这些附加处理步骤可以在专用硬件中执行。
[0047]波束成形装置处理器21从波束成形装置存储器23读出单元信号，执行如在下文更详细地描述出的波束成形步骤，产生波束和信号并将波束和信号写入波束成形装置存储器23。系统处理器32从波束成形装置存储器23读出波束和信号并处理源自各种发射事件的波束和信号以便成形图像，在给定的实施例中，如果需要，可将所述图像显示在显示器42上。 [0048]在所示实施例中，波束成形处理在独立于系统处理器32的处理器(即，波束成形装置处理器21)中执行。然而，应当注意，在其他实施例中，波束成形处理可以在系统处理器32中执行，或在系统10任何合适的电路中执行。
[0049]在所示实施例中，系统10还包括与系统处理器32通信连接的用户接口 44以及显示单元42，以使用户能够与处理器32通信，例如，以便输入一个或多个所需成像或显示参数。在某些实施例中，系统处理器32也可连接到远程连接模块46上，所述远程连接模块具有网络服务器48和用于通过链路52将超声系统连接到网络上的远程连接接口 50。系统处理器32可进一步连接到图像数据库54上以接收超声图像数据。转而，图像数据库54可与成像工作站56通信连接。
[0050]图2是示出波束成形几何形状的示意图60。所需波束沿着矢量R定位，其源自于矢量x = 0。单元位置是等间隔的输出样本对应于沿着波束方向的等间隔的范围|R|，如在以下给出:
[0051](I) icts = 2 I R(i),
[0052]其中i是样本数量、整数值，c是声音传播速度，并且ts是采样时间间隔；对于声从原点到焦点R(i)并回原点的双向传播，要考虑到两个因素。对于\处的单元，这些等间隔的输出样本对应非等间隔采样时间集合(I / c)[|R(i) | + |R⑴-X」]，所述非等间隔采样时间是声从原点传播到焦点R(i)并回\处的单元所要求的时间。由于可用单元样本在时间上是等间隔的，因此所需单元样本值通常是通过插值获得。
[0053]应当注意,为了简单起见,波束和在本说明书中描述为对应沿着定向在特定方向上(直)线定位的焦点集合。然而，应当了解，更通常地，通过正确选择聚焦功能，波束成形装置可以产生对应沿着曲线定位的焦点集合的波束和，并且目前公开的实施例并不限于其中波束和对应沿着直线定位的焦点集合的情况。
[0054]本说明书提供的方法和技术使得这个过程反向，其方法是转而将特定单元信号的等间隔的样本替代映射至非等间隔输出样本集合并且在输出上执行插值:
[0055](2) icts = RI +1 R-Xe |.[0056]等式⑵可以求解Re |R|:
【权利要求】
1.一种波束成形方法，所述方法包括: 在时间上大体均匀地对连续时间单元信号集合采样以便形成采样单元信号集合； 针对每个采样单元信号，将大体等时间间隔的一个或多个样本映射至对应于每个单元信号在连续时间波束和信号中的比重而非等时间间隔的一个或多个样本上；以及 形成在时间上大体均匀地从非均匀间隔的映射样本采样的波束和信号，所述非均匀间隔的映射样本对应于每个采样单元信号。
2.如权利要求1所述的方法，其中形成所述波束和信号包括插入所述一个或多个非均匀间隔的样本。
3.如权利要求2所述的方法，其中通过非采样波束和信号中的非均匀间隔值来形成所述波束和信号包括在一对或者多对非均匀间隔的样本之间线性插入零或多个样本。
4.如权利要求1所述的方法，其中形成所述波束和信号包括:与所述采样单元信号相t匕，对所述波束和信号进 行过采样；将所述非均匀间隔的样本分配至最近过采样的位置；以及将所述过采样的波束和信号的采样速率减小至所需采样速率。
5.—种超声系统,所述超声系统包括: 包括一个或多个变换器的变换器阵列； 发射器，其配置用于将电气信号发射至所述变换器阵列； 接收器，其配置用于在所述一个或多个变换器检测到超声回波时接收由所述变换器阵列产生的电气信号； 发射器/接收器开关电路，其连接到所述变换器阵列上并配置用于开关所述发射器和所述接收器； 模数转换器，其配置用于从所述接收器接收对应于所述超声波的模拟数据并将所述模拟数据转换成数字单元信号；以及 波束成形装置，所述波束成形装置配置用于接收并且处理所述数字单元信号以形成波束和信号，其中所述波束成形装置配置用于:在时间上大体均匀地对连续时间单元信号集合采样以便形成采样单元信号集合；针对每个采样单元信号，将大体等时间间隔的一个或多个样本映射至非等时间间隔的一个或多个样本上，这对应于每个单元信号对连续时间波束和信号的相应贡献；以及形成在时间上大体均匀地从对应于每个采样单元信号的非均匀间隔的映射样本米样的波束和信号。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述波束成形装置配置用于通过插入所述一个或多个非均匀间隔的样本以形成所述波束和信号。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述波束成形装置配置用于通过在一对或者多对非均匀间隔的样本之间线性插入零或多个样本而从非采样的波束和信号中的非均匀间隔的值来形成所述波束和信号。
8.如权利要求5所述的系统，其包括处理器，其中所述处理器配置用于从所述波束成形装置接收所述波束和信号并处理来自各种发送事件的波束和信号以形成对应于图像的图像数据。
9.如权利要求8所述的系统，其包括扫描转换器，用以接收所述图像数据并将所述图像数据转换成几何校正像素数据。
10.如权利要求9所述的系统，其包括显示器处理器，所述显示器处理器配置用于从所述扫描转换器接收所述数字像素数据并对所述数字像素数据进行滤波和转换以产生模拟数据。
11.如权利要求10所述的系统，其进一步包括显示器，其中所述显示器处理器配置用于将对应于所述数字像素数据的所述模拟数据显示在所述显示器上。
12.如权利要求11所述的系统，其包括用户接口，所述用户接口配置用于接收一个或多个用户输入以使所述用户能够控制显示在所述显示器上的所述图像的一个或多个参数。
13.如权利要求5所述的系统，其包括远程连接模块，所述远程连接模块连接至所述波束成形装置上并且配置用于将所述波束成形装置连接到外部网络上。
14.如权利要求5所述的系统，其包括连接到配置用于存储对应于所述超声回波的数据的成像数据库上的成像工作站。
15.如权利要求5所述的系统，其包括图像数据库，所述图像数据库连接到所述波束成形装置上并且配置用于能够将超声图像数据从所述图像数据库发送到与所述波束成形装置关联的存储器上。
16.一种对一个或多个可执行的例程进行编码的计算机可读媒介，所述可执行的例程在由处理器执行时致使所述处理器来执行行为，所述行为包括: 在时间上大体均匀地对连续 时间单元信号集合采样以便形成采样单元信号集合； 针对每个采样单元信号，将大体等时间间隔的一个或多个样本映射至非等时间间隔的一个或多个样本上，这对应于每个单元信号对连续时间波束和信号的相应贡献；以及 形成在时间上大体均匀地从对应于每个采样单元信号的非均匀间隔的映射样本采样的波束和信号。
17.如权利要求16所述的计算机可读媒介，其中形成所述波束和信号包括插入所述一个或多个非均匀间隔的样本。
18.如权利要求17所述的计算机可读媒介，其中通过非采样的波束和信号中的非均匀间隔的值来形成所述波束和信号包括在一对或者多对非均匀间隔的样本之间线性插入零或多个样本。
19.如权利要求16所述的计算机可读媒介，其中形成所述波束和信号包括:比起所述采样单元信号，对所述波束和信号过采样；将所述非均匀间隔的样本分配至最近过采样的位置；以及将所述过采样的波束和信号的采样速率减小至所需采样速率。
20.如权利要求16所述的计算机可读媒介，其中所述处理器进一步配置用于执行所述行为，包括处理来自各种发射事件的波束和信号以便形成对应于图像的图像数据。
【文档编号】A61B8/00GK103919574SQ201410019458
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年1月16日 优先权日:2013年1月16日
【发明者】K.W.里格比 申请人:通用电气公司