专利名称:用超声波回波描记术探测运动物体的装置的制作方法
本发明涉及一种用超声波回波描记术探测运动物体的装置，该装置至少包括一个超声波传感器，该传感器联接到一个向被探测物体重复发射超声波信号的发送器级和一个用于接收和处理返回到所说的传感器的回波探测信号的接收器级。该接收器级包括一个第一处理通道该通道主要由一个放大器电路、一个包络检波电路、一个扫描转换器和一个显示装置构成。
通过这种探测以作出心脏图象的方法，在例如1972年5月由D.L.金(D.L.King)发表在“放射学”杂志第103期(Radiology 103)第387-392页上的文章“心脏超声探病术”(Cardiac Ultrasonography)中已经公开了。超声波回波描记术由于它的安全性，并且由于它可以形成器官内部结构的实时图象，而在实际上成为探测生物组织的最佳方法之一。然而，超声波图象的质量却常常低于其他成象方法所达到的图象质量。
本发明的目的是提出一种超声波回波描记装置，在这种装置里，作为时间的函数，实时形成图象的可能性被用于执行各种操作，以改善图象质量而不因以下两种情况，即具有高的空间频率的图象成份质量下降或者器官或组织运动导致动态不清晰，而损失空间分辨率。
为达到这个目的，按照本发明而提出的这种装置的特征在于接收器级包括一个第二处理通道，这个通道又包括(A)一个模/数转换器和第一图象存贮器，该存贮器用来存贮在时刻t获得的以数据I(t、x、y)的形式出现的图象，这里，x、y是图象各点的座标;
(B)一个运动检测电路，这个运动检测电路对于各图象点来说，适于根据一个获得的图象点I(t、x、y)和相对应的，从第二处理通道输出的图象点R(t-1、x、y)之间的差值相对于一给定的阈值来决定修改、或者决定不修改瞬时递归滤波器系数α;
(C)一个条件瞬时递归滤波器，它适于产生一个作为第二处理通道输出信号的处理过的图象R(t、x、y)，该图象由经过加权的新获得图象I(t、x、y)和经过加权的原先处理过的图象R(t-1、x、y)的和所构成。它们的加权因子取决于滤波器系数α的数值。以第二处理通道的模/数转换器和第一图象存贮器来形成扫描转换器部分是最为可取的。
所提出的结构使可以检测在第一时间周期内发生运动的图象区，并可在第二时间周期内使各瞬时操作与这些运动的检测相适应，仅当可以假定在两个相继的图象之间不存在任何运动，所说的操作才被执行。
在根据本发明的一个特殊的实施例中，运动探测电路包括一个串联联接的减法器(该减法器用于确定来自第一图象存贮器的值I(t、x、y)与来自第二图象存贮器的值R(t-1、x、y)之差)，一个用于对所说差值和滤波器系数α的存贮进行变换的第三图象存贮器，一个低通滤波器和一个比较器，这个比较器适于将它的输入信号与一个给定的阈值电平相比较，并根据比较的结果产生一个指令以用一个预定的值取代第三图象存贮器的内容，然后，这个预定值构成新的滤波器系数α。
在另一个实施例中，该运动检测电路包括一个串联的减法器(该减法器用于确定来自第一图象存贮器的值I(t、x、y)与来自第二图象存贮器的值R(t-1、x、y)之间的差)，一个用于对所说差值和滤波器系数α的存贮进行变换的第三图象存贮器，一个低通滤波器和一个第四存贮器，这个存贮器适于提供一个指令以用一个替换值取代第三图象存贮器的内容，当第四存贮器存贮的数值较大时，该替换值较小;反之，当第四存贮器存贮的数值较小时，该替换值较大，然后这个替换值构成新的滤波器系数α。
在上述的各实施例中，瞬时递归滤波器可以包含一个用于将滤波器系数α与第一或第三图象存贮器的输出信号相乘的第一乘法器，一个用于将滤波器系数的1的补码(1-α)与第三或第一图象存贮器的输出信号相乘的第二乘法器，一个将所说乘法器的输出信号相加的加法器以及存贮被瞬时递归滤波器处理过的图象的第二图象存贮器。
所有的图象点可以借助于单一的第二处理通道而依次逐个处理，或者借助于与图象点的数目一样多的处理通道按并行方式处理。除此之外，可以采取这两种方法之间的折衷方案，即采用若干个并联的第二处理通道，其中每一个通道用来对这些图象点中的相应部分依次逐个处理。
本发明将在下面参照附图作详细的叙述，这个附图是根据本发明一个实施例的方框图。
本发明装置的这个实施例包括一个超声波传感器10，它一方面联结一个用来向被探测物体重复发射超声波信号的发射器级20，另一方面联接一个用来接收并进一步处理返回到传感器的回波探测信号的接收器级30。在发射器级和接收器级之间，可以联接一个开关级40，用以避免发射器级对接收器级造成显著的过载;类似地，在接收器级之前，可以联接一个为达到同样目的保护电路(图中未示出)。
时钟电路50按常规方式控制时序一方面确定图象的重复节奏，例如，将其重复频率范围规定在8赫至40赫，另一方面确定图象行的重复节奏(每幅图象大约有128图象行)。对于每一幅新图象，传感器10先复位到它的初始状态，然后，再逐行地扫描整个被探测区域。对于每图象行第一处理通道60从传感器10那里接受与返回该传感器的回波探测信号相应的电信号。这些信号在放大器61中放大，随后经过包络检波器62整流和滤波，再送到显示装置65中进行显示。
为实现这种显示，包络信号在模/数转换器63中经过数字化之后，送到扫描转换器64。转换器64实际上包括了第一图象存贮器641，各图象点的值被写入这个图象存贮器中。写/读电路642一方面控制写操作，另一方面控制用来显示存贮在存贮器内的图象的读操作。
根据本发明，该装置还包括第二处理通道100，该处理通道由运动检测电路130和条件瞬时递归滤波器150组成，其中运动检测电路130的工作原理是基于对相继图象的比较。
运动检测电路130包括减法器131，该减法器适合各个图象点计算由扫描转换器64最新获得的一个图象点与和前一个被显示的图象点相关并存贮在第二图象暂存器741中的相应点之间的差值。这个差值被送到第三图象存贮器133，该存贮器的输出端接到低通滤波器134。通过它的滤波作用，消除那些由于随机噪声而造成、因而应该加以抑制的孤立点。滤波操作显然可能是一种通过例如用某些图象点的算术平均值取代各个图象点的方法来完成的空间滤波操作，这些图象点是位于以有关图象点为中心的n×n个图象点(在此，n＝3)构成的窗口之中的。图象的空间滤波已经众所周知，在此就不作详细说明了。
低通滤波器134的输出信号加到比较器136，该比较器对被滤波图象的各个连续相接的点规定出一个阈值。当对于一个给定图象点的被滤波信号的绝对值小于、或等于此阈值电平时，则可以断定在该点附近没有发生任何运动，并且可以执行在这些图象之间执行的滤波操作。然而，如果被滤波信号具有大于所说阈值电平的绝对值，则可以断定已经发生了运动，并且作为时间的函数在这些图象之间执行的这个(瞬时)滤波操作就不必执行。这样，按照所得到的比较结果，通过用数值“0”(运动)、或一个预定的系数(无运动)来代替这个存贮器中原来存贮的数值，则第三图象存贮器133里的存贮数值被更新(并被用来计算由比较器接受的数值)。
第三存贮器133的输出信号(以下，称之为滤波器系数α)被加到条件瞬时递归滤波器150。如已经叙述过的，在时刻(t-1)已经获得的图象与在时刻t获得的图象之间执行这个滤波操作而不涉及时间间隔(t-1、t)的真实性质。为了简化名词“图象点”以下将采用“象素”一词。在各图象中，各个象素用它的座标位置(x、y)来表示。当原来获得的图象根据x、y座标和时刻t而表示为I(t、x、y)，当经过瞬时递归滤波而获得的图象表示为R(t、x、y)以及当用系数α代表滤波效率(α取0至1之间的数值)时，据称所说的滤波操作可按以下表达式来实现R(t、x、y)＝α(t、x、y)·R(t-1、x、y)+(1-α(t、x、y))·I(t、x、y)。
由此式可见，系数α实际上确定了滤波效率，这是因为-当α为一个小数值时，由于(1-α)·I项起主要作用，图象仅仅受到很弱的滤波作用，(并且，当α非常小时，图象几乎完全没有被滤波，与不起滤波作用一样);
-然而，当α为一个大数值时，α·R项起主要作用，但是当α太大时，该项所起的作用将增大到使得最近获得的图象I(t、x、y)中包含的信息几乎完全被忽略的程度，所以仅考虑被处理的第一个图象的作用，这又和不起滤波作用一样。
因此，为了在实际上获得正确的滤波作用，必须选择适当的α值。试验表明，(1-α)数值必须近似等于为保证有显著的处理作用所需的图象数的倒数，从这一点出发，宜将α的数值选择为7/8。
第三图象存贮器133的输出联接到条件瞬时递归滤波器150，该滤波器150包括接收第三存贮器133输出信号的第一乘法器151和第二乘法器152，第二乘法器152借助于第四存贮器153而接收由运动检测电路130所计算出的对于各个象素的系数α的1的补码。对于作地址用的所说系数的每一数值，第四存贮器153保存所要求的1的补码的数值。乘法器151的作用是将第二图象存贮器741的输出信号(它代表在前一周期处理过的和在这次操作后被显示的图象R(t-1))与第三存贮器133的输出信号相乘，乘法器152的作用是将扫描转换器64的第一图象存贮器641的输出信号(它代表新形成的图象I(t))与第三存贮器133的同一输出信号的1的补码(该补码产生自第四存贮器153)相乘。也可能完成另一种与上面形式对称的相乘方式，即将存贮器641的输出信号与存贮器133的输出信号相乘;将存贮器741的输出信号与存贮器133输出信号的1的补码相乘。
电路150还包括一个加法器154，这个加法器接收两个乘法器151和152的输出信号，并且它的输出信号满足上述表达式R(t)＝α·R(t-1)+(1-α)·I(t)加法器154的输出信号送到显示装置65和第二图象存贮器741，第二图象存贮器将接收到的这个图象暂时存贮;随后一当有新形成的图象I(t)到达，原来的这个图象便被当作前一个图象R(t-1)了。直到下一个图象处理完之前，也就是说，新的图象正在形成时，对于已处理的图象需要有这种暂存。
采用前面的表示方法，可以看出如前所详述的位于条件瞬时递归滤波器150前的运动检测电路130借助于减法器131的功能，可确定新获得图象信号I(t)与由条件滤波操作处理过、并被显示的前一图象信号R(t-1)之间的差值;鉴于随后在电路150中进行条件滤波操作，将确定一个新处理过的图象R(t)，该图象R(t)本身又将在减法器131中与I(t+1)进行减法运算(I(t+1)减R(t))，依此类推。
因为，许多变型方案都可以在不偏离本发明范围的情况下推演出来，所以，显然本发明不局限于已叙述的这个实施例。
十分显然，按照本发明的装置可以不仅包括单个传感器，而且可以包括联接到电子扫描装置的一个线性的、或两维的传感器阵列。
而且，由电路130进行运动检测的期间，逐个相接续的图象之间的差值可以用一个为该差值的函数的量来取代，例如，用该差值的平方或者更复杂的函数来取代。此时在所有的情况下这个量是通过第一算术电路132计算出来的，这个第一算术电路132与减法器131的输出端相联接，并且它一般是由一个只读存贮器构成，这个只读存贮器输出一个与减法器输出的差值信号相对应的上述量值。类似地，第二算术电路135可以联接到低通滤波器134的输出端，从而以一个与滤波器输出值有关的函数(例如，这个滤波器输出值的绝对值)来取代这个滤波器的输出值。当采用了这两个算术电路132和135中之一，或者，两者都采用时，显然，电路132的输出信号加到第三图象存贮器133，电路135的输出信号加到比较级136。
在另一个供选择的实例中，比较器136可以由一个“只读存贮器”类型的算术电路所取代，这个算术电路根据比较的结果，可以提供一个用来执行与如上所述置换操作完全相同的指令，或者可以提供一个取代第三图象存贮器133内存的替换量，当存贮器内存贮的值较大时，所说的置换量较小，反之，当存贮器内存储的值较小时，所说的置换量较大。对于后一种情况，在那里执行的是作为图象间的时间函数的滤波操作，而不是比较器有无输出的那种比较，当在所考虑的象素区内运动发生的几率较高时，所说的滤波操作范围较小，反之，当这个几率较低时，该滤波操作范围较广。这种渐增或渐减的滤波器操作可以通过例如逐渐改变滤波有效系数α的数值的方法而实现，这时的α值是作为假定的一个较大的运动或较小的运动的函数，而不是限定为一种二进制的选择(即如未检测到运动，其值为7/8;如检测到运动，其值为0)。
另外，还可注意到，对于逐点执行操作的所有那些实施方法来说，存在着各种各样可选择的方案。实际上，这些操作可以借助于一个简单电路而按逐点方式(Point-Wise)依次执行。然而，这些操作也可使用与图象中的象素数(例如256×256)一样多的电路按并行方式执行;这种方法大大加速了操作，但是显著地增加了装置中电路的复杂性。最后，这些操作也可以采用上述两种方法的折衷方案，即将若干电路并联联接，以按顺序每次处理一部分图象点。
还可以注意到，在用回波心动描记术或循环运动器官探测方法的情况下，在应用上述发明的设备中，应将一个完整循环的全部图象都保持在存贮器里;对于心脏运动的一个循环来说，即是在1秒左右的时间里包括的图象。由于应用于超声波心动描记术检测的高质量的回波探测装置每1秒钟大约产生50幅图象，要存贮这样多的图象可能是有问题的。对此，有两种办法是可行的。即或者在装置中扩充一种具有高容量和高可接近性的数字存贮磁盘，或者采用足够数量的图象存贮器，这样的磁盘或图象存贮器已有现成商品可资利用、第三个解决办法是压缩所需的存贮量。在根据本发明的设备中，性能降低一些实际上是可以被接受的。于是，该设备的处理能力就限于处理心脏运动一个循环内限定数量的图象而不是所有的图象，例如，限于处理与超声波回波心动图中标示出的那些认为可取的时刻相关的图象(如在超声波回波心动图中清晰地示出的心脏收缩期的终止时刻、心脏舒张期的终止时刻、各种并发症状等等)。然而，为了能够确定这些认为可取的时刻，要求必须与被观察的循环相同步。在美国书US-A4547892中叙述了用于其他类型心脏探测的这种同步，这里就不作详细介绍了。由于心脏和胸腔运动基本上是周期性的，在实现了同步的情况下，被探测器官的各不同部位在每次循环周期内就能基本上处在相同的位置上。由于这种特性，按照本发明可执行作为时间的函数的滤波操作而不需要消除检测运动效应为必要条件。
权利要求
1.一种借助于超声波回波描记术探测运动物体的装置，它包括至少一个超声波传感器，这个超声波传感器联接到一个用于向被探测物体重复发射超声波信号的发射器级和一个用于接收和处理返回到所说传感器的回波探测信号的接收器级，这个接收器级包括主要由一个放大器电路、一个包络检波器电路，一个扫描转换器和一个显示装置构成的第一处理通道。本装置的特征在于，接收器级包含第二处理通道，这个第二处理通道包括(A)一个模/数转换器和第一图象存贮器，该存贮器存贮在时刻t得到的、以数据I(t、x、y)形式表达的图象，这里，x和y为图象各点的座标；(B)一个运动检测电路，该运动检测电路适用于对各图象点根据一个所获得的图象点I(t、x、y)和相对应的、从第二处理通道输出的图象点R(t-1、x、y)之间的差值相对于一给定的阈值来决定是否修改瞬时递归滤波器系数α；(C)一个条件瞬时递归滤波器，该滤波器适宜产生作为第二处理通道输出信号的被处理图象R(t、x、y)，该图象由经过加权的新获得图象I(t、x、y)和经过加权的原来处理过的图象R(t-1、x、y)之和构成，加权系数取决于滤波器系数α。
2.根据权利1的装置，其特征在于，第二处理通道的模/数转换器和第一图象存贮器是扫描转换器的组成部分。
3.根据权利要求
1或2的装置，其特征在于，运动检测电路包括一个用于确定由第一图象贮存器产生出的I(t、x、y)值和由第二图象存贮器产生出的R(t-1、x、y)值之差的串联联接的减法器，一个用于交变存贮所说差值和滤波器系数α的第三图象存贮器，一个低通滤波器和一个比较器，该比较器适宜于将其输入信号值与一个给定的阈值电平相比较，并根据比较结果产生一个指令，该指令规定以一个预定值来取代第三图象存贮器的内容，然后此预定值构成新的滤波器系数α。
4.根据权利要求
1或2的装置，其特征在于，运动探测电路包括一个用于确定由第一图象存贮器产生出的I(t、x、y)值和由第二图象存贮器产生出的R(t-1、x、y)值之差的串联联接的减法器，一个用于交变存贮所说差值和滤波器系数α的第三图象存贮器，一个低通滤波器和第四存贮器，该存贮器适宜提供一个指令，该指令规定以一个替换值来取代第三图象存贮器的内容，当存贮在第四存贮器中的值较大时，这个替换值较小，反之，当存贮在第四存贮器中的值较小时，这个替换值较大，然后，所说的替换值构成新的滤波器系数α。
5.根据权利要求
3或4的装置，其特征在于，瞬时递归滤波器包括一个用于将滤波器系数α与第一或第三图象存贮器的输出信号相乘的第一乘法器，一个用于将滤波器系数α的1的补码(1-α)与第三或第一图象存贮器的输出信号相乘的第二乘法器，以及一个用于将所说乘法器输出信号相加的加法器和用来存贮由瞬时递归滤波器处理过的图象的第二图象存贮器。
6.根据权利要求
3至5中任一项的装置，其特征在于，第二处理通道包括一个第一算术电路，该算术电路联接到该减法器的输出端，并且该算术电路适宜于确定一个量。该量是所说减法器输出信号的函数，并且该量形成存贮在第三图象存贮器中的滤波器系数α。
7.根据权利要求
3至6中任一项的装置，其特征在于，第二处理通道包括一个第二算术电路，该电路联接到低通滤波器的输出端，并且适宜于确定一个量，该量是这个滤波器输出信号的函数，并形成该信号的新值，这个新值将与一个给定的阈值电平进行比较。
8.根据权利要求
6或7的装置，其特征在于，第一和第二算术电路是由只读存贮器构成的。
9.根据权利要求
1至8中任一项的装置，其特征在于，该装置包括多个并联联接的第二处理通道，用于顺序地仅仅处理一部分图象点。
10.根据权利要求
1至8中任一项的装置，其特征在于，该装置包括若干并联联接的第二处理通道，这些通道的数量与图象中出现的图象点的数量相对应，以便可以并联地处理所有的图象点。
专利摘要
本装置包括至少一个超声波传感器(10)，它联接到一个发送器(20)和一个回波探测信号的级(30)。级(30)包括一个常规的第一处理通道(60)，该处理通道主要包括放大器电路(61)、包络检波电路(62)、扫描转换器(64)、显示装置(65)，以及一个第二处理通道(100)，该处理通道包括模/数转换器(63)和第一图象存贮器(641)、运动检测电路(130)、条件递归瞬时滤波器电路(150)。
文档编号A61B8/08GK87100460SQ87100460
公开日1987年10月28日 申请日期1987年1月28日
发明者让-吕克·贝纳特 申请人:菲利浦光灯制造公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan