专利名称:用于超声波成象的自适应时间增益补偿系统的制作方法
本发明涉及超声波成象技术，更确切地说，本发明是关于超声波成象系统中的衰减补偿和增益控制。
通过超声脉冲反射波探测生物组织形成二维图象，必须利用电子接收机，这种接收机具有这样一种装置即根据对超声波在传播和反射路径中的衰减变化作出响应的反射波来改变其幅度增益，和调节传感器灵敏度的变化及成象组织的扩散系数。控制可变增益的常规方法，是应用人工手控方式输入增益深度函数的形状来补偿衰减，并使用人工手动的增益控制系统来调整图象的平均灰度。
但是，这种常规的时间增益补偿方法，对二维图象中的每种波束线矢量采用同样的增益深度函数，因而伴随着被测组织的扫视区域几何形状的变化，可能造成衰减校正上的误差。当波束通过生物组织和流体的交接面时，这个问题尤为严重。例如，探测心脏时心脏中的血液，探测胎儿图象时母体尿液和羊膜流体，都呈现为可变长度的非衰减路径区段。对于上述的各种情形，精确的衰减补偿只能对所有波束路径产生单值的增益深度函数、并使各个函数与沿各个路径的生物组织的几何形状适配来完成。
目前已经有人提出建议，即由操作人员设定一个固定的阈值，将引入的反射波信号与之相比较，进而生成可变的增益深度函数。参见梅尔顿(Melton)和斯科顿(Skorton)著的“用于超声波心脏成象衰减的合理增益补偿”(IEEE超声波论文集，1981年，第607-611页)。对于反射波信号超过所设定的阈值的时段，增益以预定的变化率增加;而对于反射波低于阈值的时候，则增益保持恒定。
本发明的目的在于一种反馈控制系统，在这一系统中的阈值是通过对先前接收的图象画面中反射波直方图进行分析来确定的。在实施这一发明时，在控制系统增益的过程中，对于软组织是用图象总体的均值来识别的，而在设定增益相对于深度的断点时是用软组织中的流体图象总体间的零值来识别的。
在最佳实施例中，装有一种闭环随动控制装置，该装置包含一个用来接收、存储先前图象画面图象数据的直方图缓冲存储器;一个直方图分析器，用以从缓冲存储器中接收图象数据，识别归因于流体的图象象素总体，归因于软组织的图象象素总体、归因于反射镜的图象象素总体和归因于人造物的图象象素总体。反馈控制器用来接收象素的均值和阈值，并按照象素均值和一个调整过的阈值来提供放大器的增益及阈值。阈值加到一个比较器，在比较器中，阈值与当前画面的图象信息进行比较，以便控制增益的变化。
从如下的借助附图所作的详细说明中，可以更容易明了本发明的原理、目的及其特点。在图示中图1A-1C是有关反射波幅度的曲线以及关于超声波经过传音路径时的对数增益与深度的曲线。
图2是表示象素总体和反射波幅度的直方图。
图3是根据本发明的用于超声波成象系统的增益控制系统功能框图。
图4是图3中直方图分析器工作的流程图。
图5是示意图3中反馈控制器工作的流程图。
现在参照附图，具体说明如下图1A-1C分别表示超声波传音路径、反射波幅度和用于调节反射波放大系数并补偿组织衰减的对数增益相对于深度的曲线。图1A中，由传感器10引导出的超声波经过扫描交界面12，进入容器14，并且从这里接收反射波;图1B表示反射波和一个阈值;而图1C是反射波放大器对数增益相对于深度的曲线。在反射波幅度低于阈值的范围内，其增益保持不变，仅仅在反射波幅度超过阈值的范围内，其增益才按照选定的斜率增加。图1A-1C所说明的自适应衰减校正技术，正如梅尔顿和斯科顿揭示的那样，是将引入的反射信号同由操作人员设定的固定不变的阈值相比较来产生可变的增益深度函数。
图2表示的是图1A-1C所示技术的发展和延伸，这是本发明所运用的技术。图2中的反射信号直方图是针对图象信号象素总体相对于信号幅度而建立的。例如，图中象素总体A出现在低幅度区并相应于来自流体的反射;总体B提供了相应于软组织的高幅度反射;总体C提供了更高量级的反射，相应于硬物体反射镜。按照本发明的控制系统，通过系统增益的反馈控制，对一个操作人员可选择的“图象亮度”提供总体B的均值，并利用总体A和B之间的零值作为比较器的阈值来设置增益深度函数的断点。
图3是根据本发明的一个实施例的自适应时间增益补偿系统的功能框图。时间增益控制(TGC)发生器20，产生增益深度函数来控制可变增益放大器22，该放大器将来自传感器24的响应于接收到的超声波反射的电信号加以放大。TGC发生器20利用来自反馈控制器26的增益值、人工选定的斜率值和由比较器28产生的“组织识别”点值或断点值，产生增益深度函数。阈值和增益值是由直方图分析器30对先前的图象画面的直方图进行分析来产生的。图象中的现时线条是利用先前图象中线条的组织织别点来补偿的。
特别应该说明的是，由图象形成电路32提供的先前图象画面经过直方图缓冲存储器34传输到直方图分析器，而现时的图象信息传送给比较器28，在比较器里图象信息与来自反馈控制器26的阈值作比较，进而为TGC发生器20提供组织识别断点。TGC发生器20响应人工选定的斜率值、比较器28提供的组织织别点、和来自反馈控制器26的增益信号，如同图1C说明的那样，顺序产生TGC信号。
图4是由软件实现直方图分析器30功能的一个流程图。直方图分析器的功能在于识别出可归因于流体(如果存在的话)、软组织的象素总体，并且将其同由于反射镜和人造物体造成的反射象素总体(即图2中总体C)区分开。分析器还能选择比较器的阈值。而且，如果被探测成象的区域内没有发现太多的流体，则分析器将进一步检查这一条件，并且提供软组织总体的均值及总体低幅边界的位置，以便反馈控制器能够产生一个常规的、角度独立的增益深度函数。直方图分析器借助测量经过低通滤波变换的直方图来工作的，以便定位出主要的峰值和零点，然后测试未经过滤波的直方图，经而评估直方图各个峰值附近的象素总体的大小。小的总体和运离整个直方图均值的总体被看作为人造物体而舍弃。在图象中任何包含高百分比象素总数的总体，则被视为归因于相同软组织区域的象素总体而选取出来。为了使反馈控制器能够迅速地校正系统增益中大的误差，整个直方图的均值也由直方图分析器来计算。
图5是由软件来实现反馈控制器功能的流程图。选定图象画面之后，执行这一程序。程序中有三个主要的控制循环。其一，如果整个直方图的均值超出范围，为了补偿之目的，则以急剧的变化来调整增益;其二，如果均值没有超过范围并且仅仅单一的总体被测定出来，那么调整增益使“亮度”与总体均值相适配，一旦增益合适，则把阈值调整到刚好在总体的低幅末端以下以便使用常规的增益深度函数;其三，如果均值在范围内但测定出多总体，则把阈值调整到使之与来自直方图的计算值相适配的程度，一旦阈值合适就调整增益使“亮度”与被识别为软组织的总体均值适配。为了保证整个控制系统的稳定性，全部增益阈值的校正都使用了低通滤波器。
实现直方图分析器和反馈控制器的程序打印输出附加在这里备作参考，该程序是在VAX11/750DEC计算机上使用FORTRAN算法语言编写的。
至此，已经对应用于超声波成象的自适应时间增益补偿的方法和装置作了说明。结合一个具体实施例的说明，仅仅是例证性的解释而已，本发明并不局限于此。对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的由附加的权利要求
所限定的实质和范围的情况下，可以作出各种改进和应用。
权利要求
1.一个超声波成象系统，包括增益被控放大器及对来自增益被控放大器的信号作出响应的图象形成装置、一个增益控制系统，其特征在于包括识别软组织图象总体均值的装置，用于控制增益被控放大器的增益，和识别流体和软组织图象总体之间零值的装置，用于设置增益深度函数断点。
2.权利要求
1所要求的增益控制系统，其特征在于其中所述用于识别软组织图象总体均值的装置，包括与接收图象数据有联系的直方图分析器，所述分析器用来识别归因于流体的图象象素总体、归因于软组织的图象象素总体、归因于反射镜的图象象素总体和归因于人造物体的图象象素总体，所述分析器用于确定各种象素总体的各个平均峰值和功率的阈值，所述为设置增益深度断点的用于识别软组织中流体图象总体间零值的装置，包括与接收所述平均峰值和来自所述直方图分析器的阈值有联系的反馈控制装置，并且基于所述总体中各平均峰值和阈值提供放大器增益和阈值，以及提供一个经调整后的增益输出和一个经调整后的阈值输出。
3.权利要求
2所要求的增益控制系统特征在于还包括对所述经调整过的增益输出作出响应以便控制增益被控放大器的增益的时间增益控制信号发生装置，用于将先前图象数据与所述阈值作比较的比较装置，以及为控制所述可变放大器的增益，对所述比较器和反馈控制器作出响应的装置。
专利摘要
超声波成象系统中应用的增益控制系统包括一个直方图分析器，以便识别归因于流体、软组织、反射镜和人造物体的各种象素总体。直方图分析器建立平均峰值。为设置增益深度各个断点，需要识别出各种图象总体之间的零值。比较器用阈值去比较相应于软组织的图象信息。TGC发生器响应于预选的斜率、亮度及组织识别信号，以产生时间增益控制信号。
文档编号G01S7/523GK86107496SQ86107496
公开日1987年6月10日 申请日期1986年10月27日
发明者詹姆斯·肯尼思·赖利 申请人:通用电气公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan