宽带混合的基波和谐波频率超声诊断成像的制作方法

本申请主张要求于2015年1月29日提交的美国申请no.62/109121的优先权的权益，在此通过引用将其整体并入本文。

本发明涉及超声诊断成像系统，并且具体涉及对混合式基波和谐波频率超声图像的使用。

背景技术：

谐波成像被用在超声成像中以对超声对比剂进行成像并克服会在基波频率处发生的混响杂波。尽管在较高谐波频率处的回波信号将展现深度相关的频率衰减的衰减性效应，但是现今的超声系统具有足够的灵敏度以在很大程度上克服在身体中的较浅的深度处的该缺点。该效应仅在组织谐波成像中是普遍的，在所述组织谐波成像中，通过谐波信号分量随着深度的较慢发展而避免了来自肋骨伪影的近场杂波。另一方面，谐波对比剂在被超声刺激时引发强的谐波响应，该响应通常甚至强于附近的基波频率回波信号。

较高谐波频率的深度相关的衰减意指谐波成像在较深的穿透的情况下将不产生强的信号响应，当对身体中的显著深度处的组织和器官进行成像时限制了谐波成像的有效性。在美国专利6283919(roundhill等人)中描述了一种用于解决该问题并实现良好分辨率的谐波成像与深度穿透基波成像两者的益处的有效技术。roundhill等人采集来自所有深度的基波频率信号和谐波频率信号两者并通过带通滤波对它们进行分离。然后，它们产生两种类型的信号的混合的图像。优选地，经高度解析的、无杂波的谐波信号在近场中是主导的，而较深穿透的基波信号最大程度地被用于远场中。然而，分离基波频率和谐波频率所必要的滤波造成了不期望的折衷。为了将信号干净地分离到它们的两个不同的带中，滤波器的带宽必须被较窄地定义，使得不存在带交叠，所述带交叠尤其不利地将基波信号限制到窄的带以及所得到的受限的分辨率。对带进行扩宽以获得更宽带的成像能够导致两个带交叠并减小每种信号类型的独特特性和益处。因此，期望能够以保留每种信号类型的独特性同时仍利用任一种类型的信号提供宽带成像的方式来分离回波信号的基波频率和谐波频率。

技术实现要素：

在一些方面中，本发明包括一种超声系统，诸如用于产生基波和谐波频率图像的超声诊断成像系统。所述系统能够包括：超声成像探头，其具有阵列换能器，所述超声成像探头发射在基波频率处的相继的、不同地调制的超声脉冲并接收在基波频率和谐波频率处的回波信号；消除(cancellation)电路，其响应于所接收到的回波信号而相加地和相减地组合来自所述不同地调制的超声脉冲的所述回波信号，以产生分离的基波信号和谐波信号；基波频率滤波器，其具有定义基波频率信号的带的通带；谐波频率滤波器，其具有与基波频率通带交叠的、定义谐波频率信号的带的通带；第一检测器，其检测基波频率图像信号；第二检测器，其检测谐波频率图像信号；组合器，其组合所检测到的基波频率信号与谐波频率信号；以及显示器，其显示混合的基波和谐波图像。

在特定方面中，本发明的超声系统能够包括用于产生基波和谐波频率图像的超声诊断成像系统，所述超声诊断成像系统包括：超声成像探头，其具有阵列换能器，所述超声成像探头发射在基波频率处的相继的、不同地调制的超声脉冲并接收在基波频率和谐波频率处的回波信号；消除电路，其响应于所接收到的回波信号而相加地和相减地组合来自所述不同地调制的超声脉冲的所述回波信号，以产生分离的基波信号和谐波信号；基波频率滤波器，其具有定义基波频率信号的带的通带；谐波频率滤波器，其具有与基波频率通带交叠的、定义谐波频率信号的带的通带；检测器，其响应于基波频率信号或谐波频率信号的带而检测基波频率图像信号或谐波频率图像信号；扫描转换器，其响应于所检测到的基波频率图像信号或谐波频率图像信号而产生期望图像格式的基波图像或谐波图像；以及显示器，其被耦合到扫描转换器，其显示基波图像和谐波图像。

在一些方面中，本发明包括一种用于产生基波频率图像或谐波频率图像的超声诊断成像系统，所述系统在其上包括指令，所述指令当被运行时使得所述系统：使用具有阵列换能器的超声成像探头来发射在基波频率处的相继的、不同地调制的超声脉冲并接收在基波频率和谐波频率处的回波信号；相加地和相减地组合来自所述不同地调制的超声脉冲的所述回波信号，以产生分离的基波信号和谐波信号；利用具有一通带的基波频率滤波器对基波频率信号的带进行滤波；利用具有与基波频率通带交叠的一通带的谐波频率滤波器对谐波频率信号的带进行滤波；检测基波频率图像信号或谐波频率图像信号；产生期望图像格式的基波图像或谐波图像；并且显示基波图像或谐波图像。

附图说明

在附图中：

图1是对基波频率回波信号分量和谐波频率回波信号分量的滤波器分离的图示。

图2以框图的形式图示了根据本发明的原理构造的超声系统。

图3是根据本发明的原理的信号分量消除和带通滤波的图示。

图4a-4h图示了适合于在对本发明的实施中使用的双脉冲成像序列。

图5图示了根据本发明的实施的方法。

具体实施方式

根据本发明的原理，描述了一种超声诊断成像系统，其使得能够将基波信号分量和谐波信号分量干净地分离成不同的宽带信号。能够使用双脉冲发射，相继两次但以不同地调制的形式发射相同的脉冲到图像区域中的每个点。用于这样做的一种范例技术被称为脉冲反转，在所述脉冲反转中，在具有和不具有脉冲或极性反转的情况下发射相同的脉冲。发射脉冲具有与在脉冲反转中常规使用的那些相比更宽的带宽以及更高的中心频率。通过相加和相减两者在空间的基础上组合来自两次发射的所接收到的回波信号，得到频率的两个带：谐波带和基波带，在所述谐波带中，基波信号分量已经被消除，而在所述基波带中，来自两个回波的基波频率分量彼此加强。然后利用滤波器对这两个带进行带通滤波，所述两个带被允许在频率上彼此重叠。在扫描转换之前或之后，来自两个带的信号被检测到并且被组合成混合的基波/谐波图像。结果是具有基波成像和谐波成像两者的组合益处并且具有宽带图像特性的图像。

在一些方面中，本发明包括一种产生基波和谐波频率图像的超声诊断成像系统。在一些实施例中，所述系统能够包括具有阵列换能器的超声成像探头。所述探头能够被配置为发射在基波频率处的、相继的并且不同地调制的超声脉冲。所述不同地调制的超声脉冲能够例如是在相位或极性方面被不同地调制的。所述探头也能够被配置为接收在基波频率和谐波频率处的回波信号。在一些方面中，所述系统能够包括波束形成器，所述波束形成器响应于由所述阵列换能器接收到的回波信号而产生相干的基波频率信号和谐波频率信号。所述波束形成器能够包括多线(multiline)波束形成器。

所述系统能够包括消除电路，所述消除电路响应于所接收到的回波信号而相加地和相减地组合来自所述不同地调制的超声脉冲的所述回波信号，以产生分离的基波信号和谐波信号。在一些实施例中，所述消除电路通过脉冲反转来消除谐波频率带中的基波频率信号。在一些实施例中，所述消除电路能够包括：线(line)缓存器，其存储响应于相继的超声脉冲中的第一超声脉冲而接收到的回波信号；第一组合电路，其相加地组合响应于相继的超声脉冲中的第二超声脉冲而接收到的回波信号与由所述线缓存器所存储的回波信号；以及第二组合电路，其相减地组合响应于相继的超声脉冲中的第二超声脉冲而接收到的回波信号与由所述线缓存器所存储的回波信号。

在特定方面中，所述系统能够包括：基波频率滤波器，其具有定义基波频率信号的带的通带；以及谐波频率滤波器，其具有与所述基波频率通带交叠的、定义谐波频率信号的带的通带。所述基波频率滤波器例如能够包括具有较低频率通带的带通滤波器，而所述谐波频率滤波器能够包括具有较高频率通带的带通滤波器。在一些实施例中，所述阵列换能器展现换能器通带，并且所述较低频率通带集中于所述换能器通带的较低的一半中，而所述较高频率通带延伸到所述换能器通带的上限。

在一些方面中，所述系统能够包括：第一检测器，其检测基波频率图像信号；第二检测器，其检测谐波频率图像信号；以及组合器，其组合所检测到的基波频率信号与谐波频率信号。在由所述组合器进行组合之前，也能够使用加权电路，所述加权电路被耦合以接收所检测到的基波频率信号和谐波频率信号，其对基波频率信号和谐波频率信号进行相对地加权。所述系统能够包括显示器，所述显示器显示混合的基波和谐波图像。

在特定方面中，所述系统能够包括tgc电路，所述tgc电路对基波频率信号的带中的信号或者对谐波频率信号的带中的信号进行放大。所述系统也能够包括对数(log)放大器，所述对数放大器将基波频率信号的带中的信号或者谐波频率信号的带中的信号转换为经对数地缩放的信号。

在一些实施例中，本发明的系统能够包括：超声成像探头，其具有阵列换能器，所述超声成像探头发射在基波频率处的、相继的、不同地调制的超声脉冲并接收在基波频率和谐波频率处的回波信号；消除电路，其响应于所接收到的回波信号而相加地和相减地组合来自所述不同地调制的超声脉冲的所述回波信号，以产生分离的基波信号和谐波信号；基波频率滤波器，其具有定义基波频率信号的带的通带；谐波频率滤波器，其具有与基波频率通带交叠的、定义谐波频率信号的带的通带；检测器，其响应于基波频率信号或谐波频率信号的带而检测基波频率图像信号或谐波频率图像信号；扫描转换器，其响应于所检测到的基波频率图像信号或谐波频率图像信号而产生期望图像格式的基波图像或谐波图像；以及显示器，其被耦合到所述扫描转换器，其显示基波图像和谐波图像。

图1图示了在频率的基础上分离基波信号与谐波信号的超声系统的典型的通带。该图图示了以频率“f”为中心的并且被示为图中的细的黑曲线80的46％的发射带宽频率带。对该波形的谐波响应被绘制为邻近于基波，也被绘制为细的黑曲线82。发射频率和带宽被选取为使得基波响应和谐波响应两者都位于由曲线tr勾勒出的换能器的带宽之内。

两条较宽的勾勒的谱84和86表示针对频率的基波带(左侧)和谐波带(右侧)的接收带通形状。根据避免基波谱与谐波谱交叠的频率的需求并且根据由换能器通带tr强加的频率限制来确定这两个形状。能够看到，基波谱84具有非常窄的带宽，而谐波谱限制其较低的频率范围以便避免在附图中的交叉阴影的频率交叠区域88。

针对基波-谐波混合成功的重要标准是两个分量当被充分接收和检测时产生良好质量的图像。在图1的谱的情况下，基波图像因为由84勾勒的窄带而在频率上将是非常低的且在带宽上将是非常窄的。这将不产生非常良好的图像。由86勾画的谐波谱看起来好得多，但是在穿透性方面是有限的，这是因为其不能够包括低于交叠的区域88的那些频率的频率。因此，所述重叠的区域既限制基波频率的带宽，并且还限制谐波谱的低频，这将改进穿透性。

现在参考图2，以框图形式示出了根据本发明的原理构造的超声诊断成像系统。在图2中，在超声探头10中提供了换能器阵列12，以用于发射超声波并接收回波信息。换能器阵列12可以是能够在二维或三维中、例如在高度(在3d中)和方位两者中进行扫描的换能器元件的一维或二维阵列。换能器阵列12被耦合到所述探头中的微波束形成器14，所述微波束形成器14控制阵列元件对信号的发射和接收。微波束形成器能够对由换能器元件的组或“片”接收到的信号进行至少部分的波束形成，如在美国专利5997479(savord等人)、6013032(savord)和6623432(powers等人)中所描述的，在此通过引用将其整体并入本文。所述微波束形成器由探头线缆耦合到发送/接收(t/r)开关16，所述t/r开关16在发送与接收之间进行切换并且保护主波束形成器20免受高能量发射信号。由被耦合到t/r开关和波束形成器20的发射控制器18来引导在微波束形成器14的控制下超声波束从换能器阵列12的发射，所述发射控制器18接收来自用户接口或控制面板38的用户的操作的输入。由发射控制器控制的发射特性是发射波形的幅度、相位和极性。可以从(正交于)换能器阵列的正前方，或者在针对更宽视场的不同角度处操控在脉冲发射的方向上形成的波束。

由换能器元件的连续的组所接收到的回波通过对其进行适当地延迟并且然后对其进行组合而被波束形成。由来自每个片的微波束形成器14所产生的部分波束形成的信号被耦合到主波束形成器20，其中，将来自换能器元件的个体片的部分波束形成的信号被组合成完全波束形成的信号。例如，主波束形成器20可以具有128个通道，其中的每个都从12个换能器元件的片接收部分波束形成的信号。以这种方式，由二维阵列的超过1500个换能器元件接收到的信号能够有效贡献于单个波束形成的信号。

在本发明的该实施方式中，经波束形成的信号被耦合到线缓存器22。线缓存器22存储因脉冲得到的回波信号，诸如在以针对脉冲反转处理的快速相继的方式发射的正-负(未反转的/反转的)脉冲对的正极性脉冲之后接收到的那些回波信号。当不同地调制的脉冲对的第二脉冲被发射时，返回的回波与由线缓存器所存储的先前脉冲的空间对应的回波一起被应用到加和器24和减法器26。这引起从图像场中的公共点返回的回波被加和器24相加地组合并且被减法器26相减。由加和器22对来自相反相位或极性的发射脉冲的回波的相加组合将导致对基波频率分量的消除以及谐波频率分量的产生。这些谐波信号被施加到谐波带通滤波器52。来自相反相位或极性的脉冲的回波的相减将导致对基波频率分量的加强以及对谐波内容的消除。这些基波频率信号被施加到基波带通滤波器。在超声应用中对信号进行滤波是周知的，并且能够使用硬件、软件或者这两者来完成以对超声信号进行处理和滤波。能够例如在thomasszabo的“diagnosticultrasoundimaging:insideout”(elsevier学术出版社，2004年)找到这样的技术，在此通过引用将其整体并入本文。

图4图示了该信号消除现象。该双脉冲序列包括第一脉冲100以及在相同方向上顺序发射的、相反相位或极性的脉冲102，亦即，它们两者都对图像场中的同一扫描线进行声学处理。以快速相继的方式发射经不同地调制的脉冲，以使对脉冲间运动的影响最小化；一旦响应于第一脉冲而接收到回波就发射第二脉冲。在图4a)和图4b)中示出了两个发射的脉冲。

在图4c)和图4d)中示出了来自图像场中的点的作为响应而接收到的回波。响应于脉冲100而产生回波104，并且响应于脉冲102而返回回波106。当相加地组合这两个回波时，这导致因相反极性而造成对基波频率分量的消除。但是如在图4e)处所示的，通过该组合而剩下的未消除和未揭示的是谐波信号分量110。在对基波频率分量的消除之后剩下的这些谐波信号被施加到谐波带通滤波器52。

类似地，在图4f)中示出的从所述脉冲中的一个脉冲返回的回波104与来自其他脉冲的回波相减地组合。在图4g)中的回波106’表示通过以反转形式图示第二回波信号(即，106)的该相减组合。当回波104和106’被组合时，此时基波频率分量是相同的并且将彼此相加地组合并加强，如由图4h)中的基波频率回波信号112所图示的。这些基波频率信号被施加到基波频率带通滤波器50。因此，由一个组合器(24)通过对基波频率分量的消除来产生谐波信号，并且由另一组合器(26)产生基波频率信号。

由于通过脉冲反转消除而非通过频率选择对基波信号分量和谐波信号分量进了行分离，因此能够对各自的带进行移位以提高性能，如在图3中所图示的。基波频率带90不再如图1中的那样以频率f为中心，而是如由谱90所示移位到更高的频率。谐波谱92以基波谱的中心频率的两倍处为中心，并且谐波谱92也占据较宽的带。另外，如图3所示，允许两个谱交叠。这是可接受的，因为在每个谱中消除了其他谱的分量。如在图1中，由带tr图示了换能器通带。基波带通滤波器50和谐波带通滤波器52然后对具有通带特性94和96的两个交叠谱进行滤波。能够看到，经滤波的基波通带94显著宽于图1的有限通带94，从而产生宽带基波信号和图像。经滤波的谐波通带96也展现出宽的带宽。由于谐波谱92延伸超过换能器通带tr，因此谐波带的上频率边缘96’被有效地限制到换能器通带tr的上频率边缘。

跟随基波频率带通滤波器50和谐波频率带通滤波器52，两个信号路径在每个中提供相同的处理。时间增益控制电路54和56提供随深度的放大，基波信号和谐波信号由检测器60和62来检测，并且信号幅度由对数放大器64和66对数地转换。根据本发明的另外的方面，由基波/谐波组合器70对基波信号和谐波信号进行组合。可以对图像场中的每个点处的基波信号和谐波信号进行组合，这是因为它们是由对数放大器产生的，但是优选地，它们是由加权电路67和68进行加权的。例如，在近场中可以对谐波信号进行大的加权而对基波信号进行较小的加权，并且在远场中相反，与roundhill等人的专利的观点一致以提供在近场中的高分辨率以及在远场中的更大的穿透性。

由组合器70产生的混合的基波/谐波图像被耦合到扫描转换器32和多平面重新格式化器44。扫描转换器以期望的图像格式在空间关系中布置回波信号，根据所述空间关系接收所述回波信号。例如，所述扫描转换器可以将回波信号布置成二维(2d)扇形格式，或者当执行3d扫描时将回波信号布置成锥形三维(3d)图像。所述扫描转换器能够在b模式结构图像上叠加颜色以产生彩色多普勒图像，所述颜色对应于图像场中的点处与其多普勒估计的速度相对应的运动，所述彩色多普勒图像描绘图像场中组织和血流的运动。所述多平面重新格式化器将从身体的体积区域中的公共平面中的点接收的回波转换成该平面的超声图像，如在美国专利6443896(detmer)中所描述的。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3d图像，如在美国专利6530885(entrekin等人)中所描述的。2d或3d图像被从扫描转换器32、多平面重新格式化器44以及体积绘制器42耦合到图像处理器30，以用于进一步增强、缓存和临时存储，从而在图像显示器40上显示。包含文本和其他图形信息(诸如患者id)的图形显示叠加层由图形处理器36产生以用于与超声图像一起显示。

在优选实施例中，波束形成器20和微波束形成器14执行多线波束形成，如在美国专利8137272(cooley等人)中所描述的，在此通过引用将其整体并入本文。当由多线实施时，多个扫描线位置被每个发射脉冲同时地声处理，并且所述波束形成器响应于每个脉冲而产生回波的多条扫描线。每次发射的扫描线被空间地对准，使得能够通过脉冲反转来组合对应的回波，以响应于两次脉冲发射而沿着多条扫描线来产生基波信号和谐波信号。经分离的谐波信号和基波信号被处理以如上所述地产生图像。

本领域技术人员将容易地想到其他变型。例如，所述扫描转换器可以在组合器70之前，使得基波信号和谐波信号在混合之前被首先单独地转换成期望的显示格式。这使得在期望的情况下在混合之前或在没有混合的情况下能够对谐波图像和基波图像的单独显示。

在一些实施例中，本发明还包括一种用于产生基波和谐波频率图像的方法。所述方法能够包括：发射在基波频率处的、相继的、不同地调制的超声脉冲并接收在基波频率和谐波频率处的回波信号。所述方法包括使用消除电路响应于所接收到的回波信号而相加地和相减地组合来自不同地调制的超声脉冲的所述回波信号，以产生分离的基波信号和谐波信号。所述方法包括(例如利用基波频率滤波器)对基波频率信号的带进行滤波并且(例如利用谐波频率滤波器)对谐波频率信号的带进行滤波。所述方法能够包括例如使用搞一个或多个检测器来检测基波频率图像信号和谐波频率图像信号。所述方法也能够包括组合所检测到的基波频率图像信号与谐波频率图像信号，并且显示混合的基波和谐波图像。

应当理解，框图图示中的每个框、框图图示中的各框的组合以及在本文中公开的系统和方法的任何部分能够由计算机程序指令来实施。这些程序指令可以被提供到处理器以生产机器，使得在处理器上运行的指令创建用于实施在框图中的一个或多个框中指定的或针对在本文中公开的系统和方法所描述的动作的模块。计算机程序指令可以由处理器运行以使得一系列的操作性步骤被处理器执行以产生计算机实施的过程。计算机程序指令也可以使得操作性步骤中的至少一些被并行地执行。此外，这些步骤中的一些也可以跨多于一个处理器来执行，例如可以产生于多处理器计算机系统。另外，一个或多个过程也可以与其他过程同时执行，或者甚至以与所图示的不同的顺序执行而脱离本发明的范围和精神。

计算机程序指令能够被存储在任何合适的计算机可读硬件介质上，所述计算机可读硬件介质包括，但不限于，ram、rom、eeprom、闪速存储器或其他存储器技术、cd-rom、数字通用盘(dvd)或其他光学存储设备、磁带盒、磁带、磁盘存储设备或其他磁性存储设备、或者能偶用于存储期望的信息并能够由计算设备访问的任何其他介质。处理器能够包括诸如微处理器、现场可编程门阵列(fpga)、集成电路等的硬件。