用于确定介质的物理特征的方法和系统与流程

本发明涉及用于确定介质的物理特征的方法和系统。具体地说，所述方法适于为被换能器设备扫描的介质提供图像数据。例如，所述方法可在例如超声系统的设备(可以是医疗设备)中使用。

背景技术：

1、换能器元件或收发器(例如设置为阵列的)一般可用于不同目的，例如用于通信、成像或扫描(例如在医疗成像领域)、雷达、声纳、地震学、无线通信、射电天文学、声学和生物医学。一个示例包括超声成像。

2、在常规超声成像方法中，可在发射操作中，使用具有超声换能器元件组的超声换能器设备(也称作超声探头)来生成超声脉冲以声穿透(insonify)所关注的介质。介质可包括一种或多种组织，例如脂肪、肌肉、骨骼和血管。然后，在接收操作中，利用换能器元件组从介质接收回波信号组。具体地说，每个换能器元件将所接收的回波信号转换成例如电信号。该信号可进一步由超声系统处理。例如，可将信号数字化、解调、滤波，和/或可实施信号调理操作。

3、在声穿透(即将超声激励发送到介质)之前，可将造影剂(例如小空气泡)引入介质。具体地时候，在应用对比增强超声(ceus)中，在专用的传送序列(即所传送的脉冲组)之后，使介质被声穿透，以更好地成像超声造影剂。

4、可将造影剂注入患者的血管系统，并在对比超声扫描期间对其成像。该技术的目的在于分析气泡的行为，尤其是在一个或多个可疑肿瘤之中和周围。

5、为了更好地观察造影剂，已经提出了脉冲调制技术，以区分组织与造影剂。这些技术利用气泡响应的非线性(与组织的线性响应相比)。具体地说，ceus成像依赖于超声造影剂的非线性响应(与软组织的线性响应相比)。通过幅度和/或相位调制，使得由超声造影剂生成的反向散射的信号与组织生成的回波分离。这样的过程要求用与不同的幅度和/或相位关联的传送脉冲，对介质进行相继的声穿透，参见例如：

6、tremblay-darveau c,sheeran ps,vu ck,et al.the role of microbubbleecho phase lag in multipulse contrast-enhanced ultrasound imaging.ieee transultrason ferroelectr freq control.2018；65(8):1389-1401.doi:10.1109/tuffc.2018.2841848

7、另外，ep3097432a1描述了一种用于确定介质内的精确位置处的物理特征的方法，该方法包括以下的步骤：将造影剂引入介质，发送包括具有不同幅度的发射脉冲的发射序列，接收包括对应于所述发射脉冲的回声的接收脉冲的接收序列，计算接收脉冲相对于发射脉冲的相位差，以及基于所述相位差确定物理特征。

技术实现思路

1、目前，仍期望提供用于确定介质的物理特征的方法和系统，以进一步改善所确定的特征的质量。具体地说，仍期望更有效地过滤出介质的信号数据中的关注信息，例如所引入的造影剂的图像数据。另外，还期望减小介质的信号数据中的噪声，和/或更好地对在ceus成像模式中过滤掉和/或消除掉由软组织生成的信号。

2、因此，根据本发明的实施例，用于确定介质的物理特征的方法包括：

3、-处理(d)介质的与至少三个发射超声脉冲相关联的超声信号数据，以分别提供至少三个同相正交(in-phase and quadrature phase)(iq)数据组i1(r)、i2(r)、i3(r)，所述至少三个发射超声脉冲包括具有第一强度的第一发射脉冲和每个具有第二强度的至少两个补充发射脉冲，其中，第二强度之和对应于第一强度，

4、-根据以下确定(e)物理特征：

5、第一iq数据组i1(r)与至少两个其它iq数据组i2(r)、i3(r)的和之间的第一相位滞后，和/或

6、至少两个其它iq数据组i2(r)、i3(r)之间的第二相位滞后。

7、通过提供这样的方法，使得能够改善所确定的特征的质量。

8、特别地，通过根据第一iq数据组i1(r)与至少两个其它iq数据组i2(r)、i3(r)的和之间的第一相位滞后来确定(e)物理特征，使得能够更有效地检测超声信号数据中的关注信息，例如所引入的造影剂的图像数据。

9、然后，通过根据所述至少两个其它iq数据组之间的第二相位滞后来确定(e)物理特征，还使得能够检测超声信号数据中的噪声。

10、作为另外的后果，可通过排除检测到的关注信息和检测到的噪声，来确定超声信号数据中的无用数据。换句话说，没有被检测为关注信息或噪声的任何数据都可归类为无用数据。这样的无用数据可尤其包括存在于介质中的组织的超声信号数据。

11、相应地，所述方法可以还包括将所确定的物理特征(或如下所述的物理特征图的数值)归类为三个类别中的一个：关注信息、噪声，和无用数据(例如组织)。

12、例如，可以突显归类为关注信息的所确定的物理特征，同时可以弱化或取消已经被归类为噪声或无用数据的任何所确定的物理特征。相应地，可以更好地区分被归类为关注信息的所确定的物理特征，与已经被归类为噪声或无用数据的任何所确定的物理特征。

13、检测关注信息和/或噪声可包括以下中的至少一项：表征、识别、突显、高亮，或一般性地意识到关注信息和/或噪声。

14、可处理超声信息数据以提供(或获得)复数iq数据组。相应地，这可意味着每个iq数据组分别与发射超声脉冲关联。

15、所述至少两个补充发射脉冲可具有相同的(第二)强度和/或相同幅度。

16、补充发射脉冲的幅度(例如峰值)之和可对应于第一发射脉冲的幅度(例如峰值)。

17、iq数据组可以是解调iq超声数据组和/或iq波束成形(iq beamformed)数据组。

18、更具一般性地，iq数据组可包括iq数据。例如，iq数据组可包括至少一对同相值和正交相位值。相应地，iq数据可以是解调iq超声数据和/或iq波束成形数据。

19、确定(e)物理特征可以还包括通过将补偿相位滞后引入第一iq数据组i1(r)和/或至少两个其它iq数据组i2(r)、i3(r)之和，而将第一iq数据组i1(r)设置为与至少两个其它iq数据组i2(r)、i3(r)之和同相。换句话说，可选择额外相位滞后以减小和/或补偿i1(r)与i2(r)、i3(r)之和之间的相位滞后。相应地，可有利地获得优化的相干求和。

20、确定(e)物理特征可以还包括通过将π的相位偏移引入第一iq数据组i1(r)，而将第一iq数据组i1(r)设置为与至少两个其它iq数据组i2(r)、i3(r)之和的相位相反，该相位偏移可选地被减去补偿相位滞后(即：如在下文方程式(1d)中所列出的(π-φ1(r)))。该相位偏移可有利地对所确定的物理特征进行更好的降噪。

21、第一iq数据组i1(r)与至少两个其它iq数据组i2(r)、i3(r)的和之间的第一相位滞后φ1(r)可通过以下来测量(或可以对应于)：

22、i1(r)的相位与i2(r)、i3(r)之和的相位之间的差异，或

23、i1(r)与i2(r)、i3(r)的和之间的标量积的相位，即以如下方程式表达：

24、φ1(r)＝arg[i1(r)×conj(i2(r)+i3(r))]  (2)

25、可根据φ1(r)确定补偿相位滞后。为了获得更不激进的补偿，也可以仅部分地(即非完全地)补偿φ1。换句话说，可能有意义的是插入补偿相位滞后，以使得第一iq数据组i1(r)与至少两个其它iq数据组i2(r)、i3(r)之和可变得更加同相或反相(可选的是，并非变得完全同相或完全反相)。

26、至少两个其它iq数据组i2(r)和i3(r)之间的第二相位滞后φ2(r)可通过以下来测量(或可对应于以下)：

27、i2(r)的相位与i3(r)的相位之间的差异，或

28、i2(r)和i3(r)的标量积的相位，这可具体地由下式来表达：

29、φ2(r)＝arg2(r)conj(i3(r))]  (4)。

30、确定(e)物理特征可以还包括根据第一相位滞后确定第一分割图(segmentationmap)，和/或根据第二相位滞后确定第二分割图。则可以根据第一和/或第二分割图来确定物理特征。

31、可以根据通过组合第一分割图和第二分割图生成的第三分割图，来确定物理特征。例如，可通过从第一分割图去除第二分割图的内容，而生成第三分割图。

32、相应地，尤其是通过改善介质中的所关注区域的iq数据，以及减少噪声和无用数据(例如组织信号)，可改善所确定特征的质量(和可选地，基于所述特征形成的图像数据的质量)。

33、第一分割图可以设置为对介质的关注区域进行分割。例如，关注区域可以是介质包括造影剂(如下所述)的区域。第一分割图可用于例如拍摄(或高亮)所述关注区域，可在所形成的图像中示出/显示该区域。

34、图可理解为设置为将数据数值分配给数据域的矩阵或表格，例如将物理特征的数值分配给介质中的区域。它可以是二维的或具有更多的维度，并且列和行的数量可以是相同的或不同的。在一个示例中，它可包括例如形成图像的多个像素。

35、然而，分割图也可仅包括一个数值。在该情况中，分割图可用作全局滤波器。例如，在第一和/或第二分割图确定了物理特征为零的情况下，可生成对应输出并可将其提供给用户或处理系统。例如，所述输出可示意超声信号数据不适于确定介质的物理特征(例如由于过多噪声或数据质量不足)。在该情况中，可以重复所述方法，或可建议充满(repletion)。

36、还要指出，分割图可用作二进制滤波器。换句话说，对于每个数值，它可决定使用它还是无视它。然而，分割图也可用作软滤波器(soft filter)和/或空间滤波器。例如，它可给每个数值分配加权(例如0至1)。

37、而且，对于所确定的补偿相位滞后，使用例如空间滤波器和/或时间滤波器，还可应用光滑补偿方法。

38、第二分割图可设置为检测和/或减少iq数据组i1(r)、i2(r)、i3(r)中的无用信号和/或噪声。例如，噪声可能源自介质和/或源自电子噪声。

39、可通过下式确定第一分割图：

40、

41、其中，和是预定义数值。一般可将这些数值定义为使得只拍摄介质中的关注区域，而排除任何其它部分。相应地，可根据与关注区域相关联的iq数据和其它区域的iq数据之间的相位滞后来预定义和示例性数值可包括和/或然而，这些数值也可是不同的。例如，也可由例如-3至-2rad的范围来定义和/或也可由例如-1至0rad的范围来定义而且在这些情况中，可确保能够充分地检测到关注信息，即充分地与无用数据(例如来自组织的)相区分。

42、可通过下式确定第二分割图：

43、

44、其中，是预定义数值。一般可将该数值定义为使得它高亮iq数据中的噪声。相应地，可根据与生成噪声的区域相关联的iq数据和其它区域的iq数据之间的相位滞后来预定义示例性数值可包括然而，数值也可是不同的。例如，也可由例如0.4至0.6rad、或更宽泛地0.25至1rad的范围来定义而且在这些情况中，可确保能够充分地使得噪声与关注信息相区分。

45、可通过下式确定第三分割图：

46、

47、可基于以下中的至少一项，确定物理特征：

48、预定义的对比增强超声方法；

49、iq数据组i1(r)、i2(r)、i3(r)的相干求和；

50、方程式(1b)：

51、

52、方程式(1c)：

53、

54、方程式(1d)：

55、

56、方程式(1e)：

57、

58、方程式(1f)：

59、

60、和方程式(1g)：

61、

62、所述方法可以还包括，在处理超声信号数据之前：

63、-将超声波发射序列传送(b)到介质(11)中，发射序列包括第一发射脉冲和至少两个补充发射脉冲，和

64、-从介质接收(c)超声波的响应序列，其中，超声波信号数据基于超声波的响应序列。

65、传送和接收可以由相同或不同的换能器元件来实施，或甚至由不同的换能器设备来实施。

66、所述至少两个补充发射脉冲可例如相对于介质，尤其是相对于被脉冲声穿透的区域，在空间上彼此不同。换句话说，两个补充脉冲中的第一个声穿透介质的区域与第二个的区域不同。然而，分别被声穿透的区域可大部分重叠。例如，补充发射脉冲可由换能器设备的不同换能器元件来生成。

67、还可以发射具有不同的孔径调制(aperture modulations)的补充发射脉冲。例如，用于发射脉冲的换能器设备可具有可调孔径。对于第二和第三脉冲，则可以以不同的方式调制所述孔径。

68、可以使用包括多个超声换能器元件的超声换能器发送发射序列。

69、可以将用于发射第一脉冲的换能器元件组分成至少两个子组，以分别用于发射所述至少两个补充脉冲。例如，第一子组可对应于用于发射第一补充脉冲的换能器元件中的奇数组，第二子组可对应于用于发射第二补充脉冲的换能器元件中的偶数组。

70、相应地，通过对不同的补充脉冲使用不同的换能器元件子组，可为每个脉冲调制换能器元件的有效孔径。

71、除了上述的偶数和奇数脉冲以外，还可以将其它的换能器元件配置用于第二和第三脉冲。例如，可使用将用于第一脉冲的换能器元件的数量平均分配给其它脉冲(即第二和第三脉冲，和可选地任何补充脉冲)之间的任何配置。换句话说，可将用于发射第一脉冲的换能器元件组分成至少两个(或更多个)相同的子组，以分别用于发射所述至少两个(或更多个)补充脉冲。

72、例如，子组(或每个子组)可以还包括连续换能器元件(例如2至10个)的至少一个集合。集合(或每个集合)中的换能器元件可由此连续地设置在换能器设备中(即彼此相邻)。在子组(或每个子组)包括多于一个的集合的情况中，不同子组(即与不同补充脉冲关联)的集合可以是交替的。

73、与第二强度的脉冲相比，第一脉冲可具有相反的极性。例如，对于方程式(1b)，在使用相反的极性的情况下，可通过引入∈，将该方程式改写成方程式(1b’)：

74、

75、其中，∈＝-1。还可相应地改写其它方程式(1c)至(1g)。

76、在一个示例中，可使用第一数量的换能器元件生成第一发射脉冲，并且可使用第二数量的换能器元件生成每个补充发射脉冲。第一数量可对应于第二数量乘以补充发射脉冲的个数。

77、响应序列可以是反向散射信号组。例如，换能器元件可从介质接收反向散射信号，并将其转换成例如电信号。

78、例如，发射脉冲可包括利用聚焦在给定点的柱形波，和/或利用平面波，和/或利用扩散波，来声穿透介质。响应序列可包括该声穿透的反向散射回波。

79、更具体地说，可以将多个超声波发射到关注区域，并且作为响应，可通过换能器元件组获取响应于每个超声波的原始数据组，超声波具有不同的空间频率内信息(spatialfrequency content)。

80、所接收的信号组可以是超声信号组。

81、换能器设备可以是超声换能器设备。换能器元件的形式可以是例如换能器阵列，例如一维换能器阵列(具有一行换能器元件)、1.5维换能器阵列(具有一行或两行发射换能器元件和一行或两行接收换能器元件)，或二维即矩阵换能器阵列(具有多行换能器元件)。然而，换能器设备不限于超声系统的换能器元件。相反，换能器设备可以发射和接收任何类型的波。其它示例包括雷达系统、声呐系统、地震学系统、无线通信系统、射电天文系统、声学系统、无损检测(ndt)系统和/或生物医学系统等的换能器设备。

82、所述方法可以还包括，在传送超声波发射序列之前：

83、-将造影剂引入(a)介质；

84、其中，第一分割图设置为对介质中的造影剂进行分割。

85、本发明可以还涉及一种用于确定介质的多个区域的物理特征的方法，该方法包括重复地实施根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，在每次重复中，处理另一区域的超声信号数据。

86、相应地，可以还将超声波发射序列传送到多个区域中的每个，以对于每个区域接收响应序列。

87、因此，可以确定包括多个物理特征数值(例如每个区域一个数值)的物理特征图。在一个示例中，物理特征图可包括多个像素，例如用于形成图像。换句话说，每个物理特征数值可以由像素表示。

88、可以根据多个区域来确定第一、第二和第三分割图中至少一幅。相应地，图可以具有适合于区域数量的分辨率(或数值数量)。

89、可基于多个区域的所确定的物理特征，形成图像。

90、本发明还涉及一种计算机程序，其包括计算机可读指令，所述计算机可读指令在被数据处理系统执行时，使得数据处理系统实施根据上述权利要求中任一项所述的方法。

91、本发明可以还涉及一种计算机可读的记录介质，在其中记录有计算机程序，该计算机程序包括当所述程序被计算机执行时，用于执行根据本发明的方法的指令。

92、本发明还涉及一种用于确定介质的物理特征的系统，该系统包括处理单元，该处理单元设置为：

93、-处理介质的与至少三个发射超声脉冲关联的超声信号数据，以分别提供至少三个同相正交(iq)数据组i1(r)、i2(r)、i3(r)，所述至少三个发射超声脉冲包括具有第一强度的第一发射脉冲和每个具有第二强度的至少两个补充发射脉冲，其中，第二强度之和对应于第一强度；

94、-根据以下确定物理特征：

95、·第一iq数据组i1(r)与至少两个其它iq数据组i2(r)、i3(r)的和之间的第一相位滞后，和/或

96、·至少两个其它iq数据组i2(r)、i3(r)之间的第二相位滞后。

97、该系统可包括换能器设备。该系统可尤其包括探头(例如超声探头)，该探头可包括换能器设备。

98、所述系统可以是超声系统。

99、所述系统可以包括其它功能性特征和/或可以对应于上述方法操作地设置。

100、本发明及其实施例可以在用于人类、植物或动物医疗系统以及任何待考虑的(非生命)软材料的范畴中使用。

101、上述元件以及本说明书内的元件旨在可组合，除非在其它方面有冲突。

102、要理解的是，上述总体描述和下文的具体描述都仅是示例性和解释性的，是出于示意的目的提供的，而不限制所要求保护的本发明。

103、包括在本说明书中并构成其一部分的附图是出于示意目的提供的，它们示出本发明的示例，与说明一起用于支持和示出本发明的原理。