快速二维多普勒速度和方向成像的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明的系统和方法总体涉及超声系统，尤其涉及在复杂介质中速度和流动方向 的估计以及用于流动速度矢量估计的超声系统。
【背景技术】
[0002] 对于各种医疗应用，超声系统已经变成广泛使用的诊断工具。与一些其他的诊断 工具或系统相比，许多超声系统是非侵入性的和非破坏性的。超声系统总体包括用于接近 对象或直接置于对象上和在对象上方移动的声头，例如，对象为患者。超声系统可提供对象 的内部结构的可视化，例如，该内部结构为组织、血管和/或器官。通过电激励声头内的换 能器阵元来生成行进至人体中的超声信号，以及通过接收从组织、血管和/或器官所反射 的回波信号，超声系统运行。所反射的回波信号然后被处理以产生对象的内部结构的可视 化。
[0003] 超声系统的应用之一是用于测量血流速度。该信息可以用于心血管研究和其他医 学领域。为了呈现血流的不同方面，已经开发了多种方法，例如，B-型成像和彩色多普勒成 像。流动领域的B型成像通常用来定位血管，以测量血管的尺寸和观察流动结构。B型图像 显示亮度，该亮度指示从目标对象反射的超声信号的强度。除了灰阶显示之外，流动速度可 以在彩色多普勒成像中被呈现为B型图像的叠加，以显示在血管内血细胞速度的测量。在 常规的系统中，彩色多普勒图像对于该系统的质量和效率产生很多限制。
[0004] 首先，彩色多普勒成像的帧频会是低的。由于对于显示的每个图像扫描线仅需要 一个发射脉冲，故B型图像可以在较高的帧频下完成。对比而言，每个多普勒图像扫描线需 要被询问多次以便估计在沿着该扫描线的各个点处的多普勒频移。沿着扫描线的每次询问 获得回波数据的全扫描线，对于在图像扫描线上的每个点，在一段时间上获得的样本组被 称为一个集合。由于在彩色多普勒成像中的询问花费时间，人们通常牺牲B型图像质量（例 如，较小的线密度、较小的采样率和/或多波束形成器），以便获取有用的帧频。
[0005] 第二，常规的系统和方法会具有差的横向分辨率。例如，在如图1A中所示出的常 规彩色多普勒成像系统100中，常规的方法通常使用声头110上的多个换能器阵元112,以 朝向焦点发射超声脉冲。这样的常规方法被使用，以便获取所需的信噪比且改善在焦点处 的横向分辨率。当焦点具有最高的横向分辨率时，其余的波束经受差的横向分辨率。
[0006] 第三，如图1A中所示出的常规系统100也经受预绘制的窗口限制。为了获得流动 速度的具体量化，需要提前在感兴趣的区域内选取小得多的样本体积。超声波检测师通常 需要绘制扫描区域的窗口，仅在该窗口中，彩色多普勒方法被使用诸如重复发射脉冲，结果 仅显示在该窗口中。该预绘制的窗口需求意味着，位于预定义的窗口的外部的运动反射器 可以不被识别直到进行单独的多普勒成像会话。因此，难以获得彩色多普勒图像的全扫描 区域。
[0007] 第四，使用常规的方法和系统，难以获得绝对速度和方向两者。图1A中所示出的 系统会需要方向转向和多次发射以检测运动反射器的速度。近年来，如图1B至图1D中所 示出的平面波在行业内已经引起关注。与在图1A中所示出的常规的方法和系统相比，由于 平面波没有横向分辨率，故可以同时形成大规模的接收波束。然而，更大规模而没有预绘制 窗口限制会增大帧频，同时失去横向分辨率。为了获得横向信息，类似于图1Α中所示出的 常规方法，在速度检测期间，方向转向会是必要的以执行成角度的发射。
[0008] 成角度的发射是由于相对于超声波进入方向的方向的血细胞速度的多普勒效应。 与超声波进入方向垂直的流动使用常规方法是不可检测的，该常规方法包括平面波方法。 使用常规方法所获得的速度矢量的振幅分量仅表示流动速度矢量的沿着发射/接收扫描 线轴线的分量。对于横向血管，为了获得速度矢量的振幅分量，平面波方法将必须改变垂直 于成角度的方向的发射超声波方向。
[0009] 例如，图1Β至图1D示出常规的平面波方法和系统，其获得二维（2D)血流速度的 方向和振幅。常规的系统可包括具有多个发射换能器阵元112的声头110。在一个发射事 件150期间，在血管130内的2D速度矢量的振幅分量可以被检测，这是由于相对于超声波 进入方向的方向，在血管130内的血细胞的速度不是0, 即，相对于超声波进入方向的方向， 在血管130内的点C 132具有非零的速度。然而，在垂直于超声波进入方向的另一血管120 中，在发射事件150中不能检测到该速度，即，在图1B中，相对于超声波进入方向，在血管 120内的点A 122和点B 124具有零速度。
[0010] 为了检测在血管130中的2D血流速度，如图1C中所示出的另一发射事件180必 须被执行，以将垂直于血管130的超声波发射方向变化成成角度的方向。在图1C中，相对 于进入的超声波的成角度的方向，点B 124具有非零的速度。然而，图1C中的平面波会漏 掉点A 122。为了计算点A 122,可能必须执行如图1D中所示出的另一成角度的平面波发 射事件190。然而，在第二成角度的平面波发射190中，不能检测到点C 132的速度。
[0011] 如图1B至图1D中所示，方向转向和来自不同角度的多轮信号发射的平面波方法 是难处理的且效率低的。在图1B至图1D中的来自三个不同角度的三轮发射之后，在点A 122处的速度可仅在图ID的发射事件190中被检测到一次，在点B 124处的速度可仅在图 1C的发射事件180和在图1D的发射事件190中被检测到两次，以及在点C 132处的速度 可仅在图1B的发射事件150和图1C的发射事件180中被检测到两次。因此，在三轮发射 之后，每个点A 122、B 124、和C 132具有小于3个视图以有助于2D速度矢量的计算。因 此，由于方向转向的复杂性质，平面波方法在2D速度矢量的振幅和角度的互关联估计中具 有不确定性。
[0012] 因此，需要一种快速简单的全扫描区域多普勒成像的方法和系统，其能够采用与B 型成像的相当的帧频获得血流的绝对速度和方向。
【附图说明】
[0013] 参考本发明的实施方式，在附图中可示出其实施例，在附图中，相同的部件可采用 相同或类似的附图标记。这些附图旨在说明性的，而不是限制性的。尽管在这些实施方式 的上下文中总体描述了本发明，然而，应该理解，其不旨在将本发明的精神和范围限制到这 些【具体实施方式】。这些附图绝不应该限制本领域的技术人员可以对发明做出的不脱离本发 明的精神和范围的任何形式和细节上的变化。
[0014] 图1A是现有技术的常规超声系统的不意图；
[0015] 图1B是现有技术的平面波发射的示意图；
[0016] 图1C是现有技术的从一个角度的平面波发射的示意图；
[0017] 图1D是现有技术的从一个不同角度的平面波发射的示意图；
[0018] 图2是示出根据实施方式的快速二维（2D)血流速度系统的示意图；
[0019] 图3是示出根据实施方式的在快速2D血流速度系统中的点源发射和接收波束形 成的示意图；
[0020] 图4是示出根据实施方式的在快速2D血流速度系统中的位置信息计算的示意 图；
[0021] 图5是示出根据实施方式的在多个发射事件中的波束数据生成的示意图；
[0022] 图6A是示出根据实施方式的快速2D血流速度系统中的波束数据分组的示意图；
[0023] 图6B是示出根据实施方式的快速2D血流速度系统中的2D血流速度计算的示意 图；
[0024] 图7是示出根据实施方式的快速2D血流速度系统中所用的2D血流速度检测模块 的不意图；
[0025] 图8是示出根据实施方式的快速2D超声成像系统中生成超声成像的方法流程的 示意图；
[0026] 图9是根据实施方式的快速2D多普勒血流速度和方向成像的方法的流程图；
[0027] 图10是根据实施方式的计算2D速度矢量的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0028] 结合附图，下文提供了系统和方法的一个或多个示例性实施方式的具体描述。尽 管该系统和方法结合这些实施方式被描述，然而，应该理解，该系统和方法不限于任一实施 方式。相反，该系统和方法的范围通过权利要求书来限制，该系统和方法包括大量的替选、 变型和等同物。出于示例的目的，在以下的说明中列举了大量的具体细节，以便提供本发明 的系统和方法的透彻理解。这些细节被提供用于示例的目的，且根据权利要求书可以实施 该系统和方法，而无需这些具体细节中的一些或全部。出于清楚的目的，在与该系统和方法 相关的技术领域中已知的技术材料将不再具体描述，以免不必要地模糊本发明的系统和方 法。
[0029] 描述了一种用于在复杂介质中执行流动或运动的速度和方向的超声成像的系统， 该复杂介质包括软的生物组织。各个实施方式可以在独立的硬件部件中实施，或者可替选 地，在诸如使用软件的数字信号处理器的程控处理单元中实施，该软件被编译、链接然后从 基于磁盘的存储器加载以用于在运行时间期间执行。包括在这些实施方式中所采用的方法 的各个程序还可以存在于固件或其他类似的非易失性存储装置中。
[0030] 还应该理解，本发明的系统和方法可以以多种方式实施，这些方式包括过程、设 备、装置或者计算机可读介质（例如，含有计算机可读指令或计算机程序代码的永久计算 机可读存储介质）或者计算机程序产品，该计算机程序产品包括具有包括在其中的计算机 可读程序代码的计算机可用介质。在该公开的上下文中，计算机可用介质或者计算机可读 介质可以是可包含或存储通过指令执行系统、设备或装置使用或与指令执行系统、设备或 装置结合使用的程序的任何介质。例如，计算机可读存储介质或者计算机可用介质可以是 但不限于，随机存取存储器（RAM)、只读存储器（ROM)、或持久性存储器，例如，大容量存储 装置、硬盘驱动器、⑶R0M、DVDR0M、磁带、可擦除可编程只读存储器（EPROM或闪速存储器）、 或者用于存储信息的任何磁性的、电磁的、红外的、光学的、或者电学的部件或系统、设备或 装置。可替选地或者另外地，计算机可读存储介质或者计算机可用介质可以是这些装置的 任一组合或者甚至是其上印刷有程序代码的纸张或者另一合适的介质，这是由于程序代码 可以例如通过纸张或其他介质的光学扫描而以电子方式采集，然后被编译、解译、或以合适 的方式被处理（如果必要），然后存储在计算机存储器中。应用程序、软件程序或计算机可 读指令可以被称为部件或模块。应用程序可以被硬接线或者硬编码在硬件中或者采用在通 用计算机上执行的软件的形式，或者被硬接线或者硬编码在硬件中使得当软件被载入计算 机中和/或通过计算机执行时，该计算机变成用于实施该系统和方法的设备。通过利用能 够创建和实施本发明的系统和方法的软件开发包或工具包，应用程序还可以被整体或部分 地下载。在该说明书中，这些实现方式或者该系统和方法可以采用的任一其他形式可以被 称为技术。总之，在本发明的系统和方法的范围内，可以改变所公开的方法的步骤的次序。
[0031] 描述了超声设备和方法的各个实施方式。应该理解，本发明不限于本文所描述的
【具体实施方式】，这些实施方式当然可以变化。结合一个【具体实施方式】所描述的一个方面不 必限制于该实施方式且可以在任何其他实施方式中实施。例如，尽管结合超声机描述了各 个实施方式，然而可以理解，本发明还可以在其他成像设备和形式中被实施。还应该理解， 本文所用的术语是仅出于描述【具体实施方式】的目的，且不旨在限制，这是由于本发明的范 围将通过所附的权利要求书以及该权利要求书所赋予的等同物的全部范围来限定。此外， 参考附图描述各个实施方式。应该注意，附图旨在方便描述特定的实施方式，但是它们不旨 在作为穷举性描述或者限制本发明的范围。
[0032] 各个相对术语，例如，"上部"、"上方"、"顶部"、"上面"、"上"、"下面"、"下方"、"底 部"、"更高"、"更低"或类似的术语可以在本文中出于方便的目的结合附图描述相对位置、 方向或者空间关系。相对术语的使用不应该解释为暗示在制造或使用中其结构或部分的必 须的定位、取向或者方向以及限制本发明的范围。除非上下文另有明确规定，否则如说明书 和所附的权利要求书中所用的单数形式"一"、"一个"和"该"包括多个。
[0033] 下文将参考附图描述各个实施方式。应该注意，附图不是按比例绘制且类似结构 或功能的阵元在所有的附图中采用同样的附图标记来表示。还应该注意，附图仅旨在方便 描述实施方式。它们不旨在作为本发明的穷举性描述或者作为本发明的范围的限制。此外， 所示出的实施方式不需要具有所示出的所有方面或优点。结合【具体实施方式】所描述的方面 或优点不必限制到该实施方式且可以在任何其他实施方式中被实施，即使没有如此说明。
[0034] 尽管参考各个解剖结构的超声成像在本文描述了各个实施方式，然而，将理解，本 文所示出和描述的多个方法和装置也可以用在其他应用中，例如成像和评估非解剖的结构 和对象。例如，本文描述的超声声头、系统和方法可以被用在非破坏性测试或各个机械对 象、结构对象或材