利用双频弹性脉冲复合体的非线性弹性成像的制作方法

专利名称：利用双频弹性脉冲复合体的非线性弹性成像的制作方法
技术领域：
本发明涉及将非线性弹性用于利用材料中的弹性波进行测量和成像的方法和设 备，例如但不限于，医用超声波成像、超声波无损检测、海底声纳应用以及地质应用。
背景技术：
非线性弹性意味着材料弹性刚度随着材料的弹性变形而改变。例如，材料体积 压缩刚度随着材料的体积压缩增加，体积压缩波传播速度随后增加。类似地，体积膨胀 减小材料体积压缩刚度，体积压缩波传播速度随后减小。
在固体中，还具有剪切变形弹性，其使得固体中的剪切变形波是可能的。气体 和液体是完全形状可变的，因此不具有剪切弹性和剪切波。软生物组织对于压力波主要 变现为液体(水)，但是固体分量(细胞)引入具有低剪切模量的剪切变形弹性。压力压 缩波的传播速度为，例如，软组织中 1500m/sec，而剪切波仅仅具有 l_10m/sec的传 播速度。与体积压缩相比，固体材料的剪切变形具有更复杂的非线性弹性，其中通常对 于各向同性材料，任何剪切变形增加剪切模量，剪切波速随后增加。剪切模量通常也受 体积压缩影响，其中，关于体积模量，体积压缩增加剪切模量，剪切波速随后增加，而 体积膨胀减小剪切模量，剪切波速随后减小。对于各向异性材料，剪切变形的剪切模量 的相关性可能更复杂，其中，在某一方向上的剪切变形可能减小剪切弹性模量，剪切波 速随着减小。
由于不同的材料具有不同的非线性弹性，空间不均勻材料的压缩/膨胀/变形将 改变弹性的空间变异，并因此产生依赖于材料应力的散射。散射信号可因此分成由不均 勻弹性在低应力处产生的线性散射分量，和来自于由材料中的大应力产生的不均勻弹性 的改变的弹性波的非线性散射分量。非线性弹性因此影响气体、液体和固体中的压力波 和固体中的剪切波的传播和散射两者。非线性体积弹性效应通常对于气体最强，对于液 体居中，对于固体材料最弱。
由多次散射产生的声噪声和波前像差降低了图像质量并对非线性散射信号以及 传播和散射参数的提取产生问题。目前的超声波成像重构技术假设波传播速度不具有空 间变异，并假设超声波脉冲在线束内仅仅从每个散射物质散射一次(1次散射)。在大多 数情形下，尤其在难于对受检者成像时，1次散射脉冲被第二散射物质重新散射O次散 射波)，其又被第三散射物质重新散射(3次散射波)等等。奇次级散射波将具有附加的 传播延迟并在图像中表现为声噪声。
在US专利申请11/189,350和11/204,492中，描述了一种发射至少两个由高频 (HF)段脉冲和低频(LF)段脉冲组成的弹性波脉冲复合体的方法，高频段脉冲和低频段 脉冲都用于声脉冲混响噪声(多次散射噪声)的抑制以及用于不均勻材料中弹性波非线性 传播特性和弹性波非线性散射的估计。LF脉冲用于非线性控制由HF脉冲沿着它的传播 路径观测的材料弹性，并由此非线性操纵用于HF脉冲的传播速度和散射两者。该实际应 用示范了用于软组织的超声波成像方法，但是明确了该方法可应用于所有类型的弹性波成像，例如但不限于材料的无损检测、深海声纳应用、地质应用等等。该方法可应用于 气体、液体及固体中的压缩波，并且应用于固体中的剪切波。例如，剪切波可用专门的 换能器发射、可通过来自于压缩的辐射力或者通过材料界面处压力波的偏斜产生。类似 地，压力波可直接用换能器以及材料界面处的剪切波的偏斜两者产生。
当LF脉冲压力沿着HF脉冲变化时，HF脉冲的不同部分获得不同的传播速度， 这引入脉冲长度的改变并且也可能引起沿着传播路径积累的HF脉冲的脉冲形式的变形。 当HF脉冲位于LF脉冲的空间梯度上时并且当在LF脉冲的压力最大值和最小值周围发现 比较长的HF脉冲时，可发现LF脉冲压力的这种变化。在下面，我们将通过LF脉冲作 为HF脉冲的变形涉及HF脉冲长度和形式的这些改变。
利用整个HF成像范围位于LF线束近场内的这样宽度的LF孔径，可以获得HF 和LF脉冲之间明确的相位关系，其中，对于整个成像范围，HF脉冲可以位于LF脉冲的 波峰或波谷处。利用限制衍射的、聚焦的LF线束，聚焦带内的压力是换能器表面处压 力的时间导数。HF脉冲和LF脉冲之间的相位关系将因此在这种情形下在深度上滑动。 对于在LF聚焦区内位于LF脉冲波峰(或波谷)的HF脉冲，必须从换能器在LF脉冲的 负(正)空间梯度处发射该脉冲。当HF脉冲沿着LF脉冲的负空间梯度定位时，这产生 HF脉冲的累加长度压缩，并且当发现HF脉冲沿着LF脉冲的正空间梯度时，产生HF脉 冲的累加长度拉伸。为了获得充分准直的LF线束，使用宽于HF发射孔径的LF发射孔 径，和/或不同于HF发射焦距的LF发射焦距通常是有利的。这伴随HF脉冲相对于LF 脉冲的传播距离提供了额外的相位滑动。为了抑制多次散射噪声，通常采用不活跃区围 绕它的中心的LF发射孔径。这提供了在HF和LF脉冲之间增加了脉冲滑动的LF线束。
当HF和LF脉冲间的相位随着传播距离滑动时，LF脉冲在不同深度处可提供对 HF脉冲的不同变型。例如，在低深度处，HF脉冲可位于LF脉冲的负空间梯度处，并 借由具有可忽略的LF脉冲的空间梯度的极值与深范围处的HF脉冲一起朝向LF脉冲的正 空间梯度滑动。在该例中的HF脉冲，借由具有有限脉冲畸变的中间区域，朝向深范围 处的累加脉冲长度扩展，观测浅深度处的累加脉冲压缩，其中，深范围脉冲长度扩展抵 消了浅范围脉冲长度压缩。转换LF脉冲的极性将脉冲压缩改变为脉冲扩展，反之亦然。 由于脉冲畸变改变了 HF脉冲的频率组成，频率变化的衍射和能量消耗也将随着畸变改变 HF脉冲幅值，并且我们把这些现象包括在HF脉冲畸变的概念内。
HF脉冲畸变因此将由于LF脉冲的不同幅值、相位和极性而不同，将成为如美 国专利申请11/189,350和11/204,492所描述的，限制线性散射信号的抑制以获得具有纯 延迟校正的非线性散射信号的现象。本发明提出了改进用于非线性散射的改进估计的线 性散射的抑制的方法，并且也介绍了脉冲混响噪声的抑制的改进方法。发明内容
本发明内容给出本发明的组成的简单概述，并没有提出对发明的任何限制，其 中，本发明唯一由所附的权利要求限定。该方法可应用于后向散射及传输层析图像重构方法二者。
将由低频(LF)带脉冲和高频(HF)带脉冲组成的至少两个弹性波脉冲复合体发 射到目标中，其中，对于每个发射的脉冲复合体，至少发射的LF脉冲在相位(相对于发射的HF脉冲)、和/或幅值、和/或频率上变化。LF脉冲用于沿着至少部分HF脉冲的 传播路径，非线性处理由HF脉冲观测的材料弹性。在本说明中，接收的HF信号意味着 来自从目标散射或穿射过目标的信号之一或两者的发射HF脉冲的接收信号并且其中来自 带有其潜在谐波分量的发射LF脉冲的信号分量从该信号中移除，例如通过接收的HF信 号的滤波。这样的滤波可在超声波换能器本身中或在仪器的接收器通道内进行。对于适 当静态的目标，也可通过发射带有零HF脉冲的LF脉冲并且从带有发射的LF/HF脉冲复 合体的接收HF信号中减去来自带有零发射的HF脉冲的该LF脉冲的接收信号，抑制发射 的LF脉冲的接收分量。接收的HF信号可包含由HF脉冲的传播和散射畸变所产生的HF 频带的谐波分量，并且在处理时，可以滤波接收的HF信号，以使得HF脉冲的基频带、 或任何谐波带、或任何它们的组合被用于图像重构。HF脉冲的谐波分量也可用已知的脉 冲反相(PI)方法提取，其中，叠加来自带有相反极性的发射HF脉冲的接收HF信号。因 此，接收的HF信号意味着至少一个以接收器换能器接收的带有任何次谐波分量的HF射 频(RF)信号，以及包含与接收的HF RF信号相同的信息的HF RF信号的任何解调形式， 诸如HF RF信号的I-Q解调形式、或HF RF信号到存在于接收器换能器处的另一频带的 任何转换。这样的频率转换对于本领域技术人员是已知的，并已知对RF信号的处理可等 效地对RF信号的任何频率转换形式执行。
对于后向散射成像，接收的HF信号将由通常动态聚焦的聚焦接收线束接收，以 使得对于接近于接收线束轴的HF脉冲，我们一般将仅仅通过LF脉冲观测目标的非线性 处理。利用层析图像重构法，图像重构产生了这样的空间分辨率，以致于对于沿着穿过 所述图像像素的传播路径的HF脉冲，我们通过LF脉冲观察每个像素中的非线性处理。 来自于所述至少两个发射的脉冲复合体的HF脉冲因此观测来自于目标的不同的传播速度 和不同的非线性散射，该差异由发射的LF脉冲中的差异产生。对于所述至少两个不同的 脉冲复合体，LF脉冲通常具有相反的极性，但是对于每个发射的脉冲复合体，也可改变 LF脉冲的幅值和/或相位和/或频率和/或发射孔径和/或发射焦距。
最大发射幅值通常由脉冲复合体的力学指标(MI)限制，其由压力的负振幅确 定。因此，与HF脉冲设于LF脉冲的负压力振幅时相比，当HF脉冲设于LF脉冲的正 压力振幅时，可采用较高的幅值。于是，计算复合体之间LF脉冲的幅值中的变化并且在 接收信号的处理过程中进行考虑。对于发射的脉冲复合体，HF脉冲也可变化，例如，通 过转换HF脉冲的极性和/或幅值，其中，在接收的HF信号的处理过程中考虑该变化。
LF脉冲可为简单的窄带脉冲，或者它可为具有LF频带频率的更复杂的脉冲。例 如，在根据本发明的一个方法中，LF脉冲由基带和2次谐波带、或者由基带和围绕1.5倍 基本中心频率的带组成，以便于对于LF脉冲的正和负极性，获得相似的脉冲畸变。HF 脉冲也可为简单的窄带脉冲，或者它可为具有HF频带频率的更复杂的脉冲，例如允许具 有有限脉冲幅值的较高功率传播的巴克码、戈莱码或啁啾码脉冲，例如由MI所限定的， 其中根据已知的方法，利用接收处理过程中的脉冲压缩获得改善的分辨率。
处理来自所述至少两个发射的脉冲复合体的接收HF信号以形成图像信号，其 中，所述处理以快速时间(时间深度)发生也作为从至少两个发射的脉冲复合体接收的 HF信号间的组合发生，其是指作为慢速时间中的组合或滤波也是指作为沿着脉冲数坐标 的组合或滤波，其中慢速时间由脉冲数坐标表示。根据本发明，处理过程至少包括一个或两个步骤
a)对来自不同发射的脉冲复合体的接收HF信号在快速时间(时间深度)上的相 对延迟校正，来补偿由通过LF脉冲对传播速度的非线性处理产生并且沿着HF脉冲平均 的HF脉冲的传播延迟中的差异，以及
b)对接收的HF信号在快速时间上的脉冲畸变校正，来补偿由沿着HF脉冲的传 播速度的变化产生的HF脉冲的畸变，该HF脉冲由LF压力中的变化产生，该LF压力沿 着在沿着HF线束轴的深度的不可忽略区域中的HF脉冲。可通过下面内容中的一个或多 个进行所述脉冲畸变校正i)脉冲畸变校正滤波器中的接收的HF信号的快速时间滤波， 以及ii)抵消HF脉冲的传播畸变的发射的HF脉冲的预校正，以及iii)接收的HF信号的 混频，以及iv)接收的HF信号的分段快速时间扩展/压缩以及幅值校正，ν)其他方法， 以及vi)上述组合。脉冲畸变校正不但包括补偿非线性传播及频率改变衍射、吸收的畸变 效应的快速时间频率组成和幅值的修正，还包括HF功率到更高谐波带的转换。可互换脉 冲畸变和传播延迟变化的校正，并且滤波器也可执行组合脉冲畸变及延迟校正。然而， 对于高效的处理过程，可以以插值延迟运算校正非线性传播延迟，并且利用滤波器用于 脉冲畸变的校正，因为这需要最短的滤波器脉冲响应。
在快速时间延迟和/或脉冲畸变校正之后，慢速时间(即，脉冲数坐标)合成来 自所述至少两个发射的脉冲复合体的接收HF信号以用于下面内容的一个或两个
i)脉冲混响噪声(多次散射噪声)的抑制以加强来自于目标的第一次散射HF信 号，以及
ii)来自于目标的线性散射HF信号的抑制以相对地加强来自于目标的非线性散射 的HF信号。
信号的慢速时间合成的典型形式为快速时间处理的接收的HF信号的差集，或者 慢速时间(沿着脉冲数坐标)的其他类型的滤波器，典型地为高通滤波器。例如，对于 每个发射的脉冲复合体，也可改变HF脉冲的极性，其中，根据已知的方法，用于线性散 射或多次散射噪声的抑制的信号的差集被替换为，慢速时间高通滤波器被替换为低通滤 波器的信号的和。
进一步处理被处理过的HF信号以形成诸如散射幅值图像、表述多普勒频率和位 移应变的彩色图像、以不同方向发射的信号的计算机层析图像重构等等的图像信号，现 有技术中已知许多这样的方法。
例如，可从利用中间物的局部非线性弹性波传播参数模拟的LF和HF脉冲传播 计算校正延迟和脉冲畸变校正，该中间物例如可根据接收的HF信号推断或手动调整、或 者估计，或者可直接根据来自所述至少的两个发射的脉冲复合体的接收的HF信号估计校 正延迟和脉冲畸变校正，或者它们的联合。波传播参数由局部质量密度和材料的局部弹 性矩阵的线性及非线性分量组成。
可进一步示例地根据来自于具有不同的LF脉冲的发射的脉冲复合体的接收HF 信号估计校正延迟，如US专利申请11/189,350和11/204,492中所描述的。所估计的非线 性传播延迟的快速时间梯度提供了可被用于根据合成的LF和HF脉冲线束的模拟估计脉 冲畸变校正的局部的非线性参数的定量估计。可利用限带滤波器或基于估计的模型获得 这样的微分，其中，将估计的延迟与作为沿着线束轴的深度的函数的HF和LF脉冲之间的模拟的幅值和相位作比较。也可手动调整非线性传播延迟或局部非线性弹性参数，如 输入脉冲畸变校正以及潜在的延迟校正的模拟，其中，调整局部非线性弹性参数以用于 最大的抑制接收的HF信号中的脉冲混响噪声(多次散射噪声)或线性散射分量，例如， 正如在图像显示屏上所观测到的。也可根据在相似深度范围处来自具有不同LF脉冲的发 射的脉冲复合体的接收的HF信号的相关函数或傅立叶谱估计脉冲畸变校正。
本发明还包括用于使HF和LF脉冲之间的滑动最小化以便获得脉冲混响噪声的 抑制的最佳可能结果并且以便提取非线性散射和传播参数的LF和HF发射孔径的设计标 准。进一步提供用于组合的抑制脉冲混响噪声、估计非线性散射以及估计非线性传播和 散射参数的方法。如根据US专利6,485,423、US专利6,905,465、US专利7,273,455、 以及US专利申请11/189,350和11/204,492所描述的方法，脉冲混响噪声抑制后的信号对 于空间不均勻目标中的波前像差校正的改进估计非常有用。
本发明进一步包括将所述方法结合到目标的实际弹性波成像的仪器。


图1示出了在方法应用中发生的具有不同相位关系的高频和低频脉冲的示例，
图 2 示出了(thor andreas simuleringer)
图3示出了用于与目标中LF和HF脉冲间的示例相位关系一起分析信号处理的 LF和HF脉冲的示例辐射面，
图4示出了(来自于Rune的LF 2dre Og 1.5谐波)
图5示出了(来自Rune的泡点曲线)
图6示出了如何产生多次散射噪声以及如何用根据本发明的方法抑制所述多次 散射噪声的图示，
图7示出了，(混响级I-III)
图8示出了(用于噪声抑制的校正)
图9示出了用于脉冲混响噪声以及线性散射分量中的一个或者两个的抑制以提 取非线性散射的分量的信号处理的框图，
图10示出了框图。
图11示出了框图。
具体实施方式
现在将参考附图描述根据本发明的示例性实施例。
图Ia示出了第一示例的由低频(LF)脉冲102和高频(HF)脉冲103组成的发 射的脉冲复合体101，连同第二示例的由LF脉冲105和HF脉冲106组成的脉冲复合体 104。LF脉冲102将在HF脉冲103的位置处压缩材料，并且然后非线性弹性将增加材料 的硬度，也增加由HF脉冲103沿着它的传播路径观测的传播速度。在第二脉冲复合体 104中，LF脉冲105在HF脉冲106的位置处扩展材料，伴随着起因于材料的非线性弹性 的随后的材料硬度的减小以及HF脉冲106的传播速度的减小。对于液体和固体，弹性通 常可近似为压力的2次项，S卩，小体积Δ V的体积压缩δ V与压力P相关，如
其中，￡为空间位置向量，κ㈦为材料的线性体积压缩系数，βη(ι) = l+B(r)/2A(r)为体积压缩系数的非线性参数。由于材料的不均于性，材料参数具有空间 变化。气体通常示出了较强的非线性弹性，其中，通常一定含有压力的高次项。具有远 小于超声波波长的直径的液体中的微小气泡也示出了响应于振荡压力的谐振压缩，这在 下面讨论。
对于二次弹性材料，HF脉冲的传播速度然后将被在传播中的HF脉冲位置处的 LF脉冲压力Pu影响，并且，对于依赖于压力的1次项的压力的近似，我们得到
c (r, pLF) = C0 (r) {1+ β n (r) κ (r) pLF} (2)
其中，是作为HF脉冲位置r的函数的未改变的传播速度。对于动态聚焦 的HF接收线束，利用后向散射成像在线束轴周围的窄区域观测目标。HF脉冲沿着线束 轴的传播延迟于是可被近似为r ds
Kr)= J —-— = i0W+r(r)nr) cKs^ Plf(S))
t0(r) = J -^τ T(r) =- /(S)K(S)Plf(S)(3)r(r)Co(i)r(r)Co(J)
m =-1 φη 0( Ο))Κ·(冲0( ))O
其中，Γ (r)为HF脉冲到深度r的传播路径，坐标S表示沿着HF脉冲在任何 时间的射线位置。没有由LF脉冲控制的传播速度的传播延迟为to(r)。对于均勻材料， tQ(r)=(传播长度)/C(l，其中，对于范围r处的后向散射成像，我们得到传播波长=&并 且to(r) = 2r/cv τ (r)是HF脉冲的传播速度由LF脉冲非线性控制产生的附加的非线 性传播延迟。我们注意到，当散射/反射发生时，LF脉冲压力pu在散射的HF脉冲位 置处显著下降，以使得传播速度的LF改变对于散射波可忽略。这意味着，我们仅仅得 到τ (r)直到第一次散射的积分的作用，该作用我们将用于抑制接收的信号中的多次散射 波。
这里我们已经给出了沿着脉冲传播路径的单个坐标r。这是利用充分聚焦的线束 对于接收的HF信号的良好近似，以便于沿着HF脉冲的路径观测限定的横截面，并且对 于角散射以及发射层析图像重构也能够获得。然而，本发明的基本思想超过了这样限定 的描述，但是该限定的描述被用于简化阐述本发明的基本方面，其也被用于需要脉冲传 播的完全3D描述的情形。
随着压力的传播速度的变化也将产生LF和HF脉冲两者的自身畸变，这引入了 脉冲基带的谐波分量。不同的谐波分量具有不同的衍射，其也影响来自于非线性传播速 度的纯自身畸变。LF线束通常由其中线束主要由LF辐射孔径的几何延伸限定的近场区 域，作为用于聚焦孔径的聚焦区域的衍射限定区域以及用于未聚焦的孔径的远场区域组 成。在衍射限定区域中，正(102)和负(105)LF脉冲的自身畸变将不同，以使得两个脉 冲的弹性控制将在此区域中不同。
在该描述中，接收的HF信号意味着来自发射的HF脉冲的接收信号，该发射的 HF脉冲或者从目标散射或者穿射过目标，并且其中，从信号中移除来自于具有潜在的谐 波分量的发射的LF脉冲的信号分量，例如，通过对接收的HF信号进行滤波。这样的滤 波可在超声波换能器本身中或在仪器的接收器通道内存在。对于完全静止的目标，也可 通过发射具有零HF脉冲的LF脉冲并且从该具有零发射HF脉冲的LF脉冲中减去接收的 信号来抑制发射的LF脉冲的接收的分量，该零发射HF脉冲来自于具有发射LF/HF脉冲 复合体的接收的HF信号。接收的HF信号可包含由HF脉冲的传播和散射变形产生的HF 频带的谐波分量，并且在处理过程中，可滤波接收的HF信号以使得HF脉冲的基带、或 任意谐波带、或它们的任意组合用于图像重构。HF脉冲的谐波分量也可利用已知的脉冲 反向(PI)方法提取，其中，增加来自具有相反极性的发射HF脉冲的接收HF信号。因 此，接收的HF信号意味着在接收器换能器处接收的HF射频(RF)信号以及它的任何次 谐波分量、以及包含与接收的HF RF信号同样的信息的，诸如HF RF信号的I-Q解调形 式、HF RF信号向位于接收器换能器处的另一频带的任何转换的中的至少一个。这样的 频率变换对于本领域技术人员是已知的，且能等效地将对于RF信号的处理用于RF信号 的任何频率变换的形式也是已知的。
不同的材料，如气泡、微钙化、结缔组织、脂肪、聚合物、蜡、鳞屑、混凝 土、金属等等具有不同的非线性弹性参数。在非线性不均勻材料中，入射的LF脉冲因此 将改变由HF脉冲观测的局部弹性的空间变化，并由此产生取决于HF脉冲处的LF压力的 HF脉冲局部散射。散射的HF脉冲因此能分离成对于零LF脉冲存在的散射信号的线性 分量，以及对于利用LF脉冲的出现获得的线性散射的非线性改变。该散射信号的非线性 改变被称为不均勻材料中弹性波的非线性散射分量，或者非线性散射的波或信号。
对于弹性可被近似成压力中的2次的材料，弹性参数并且因而非线性散射的信 号在HF脉冲的位置处的LF压力的幅值中将近似地为线性。对于在液体中具有比超声波 波长小得多的直径的气泡，弹性压缩比弹性的2次近似更复杂。第一，气体表现出更强 的非线性弹性，其中一定包括比公式(1)中的压力的2次项更高的项次。第二，当气泡 直径比液体中的超声波波长小很多时，在气泡直径变化时，在气泡周围能获得液体的大 的剪切变形。该剪切变形的液体表现为与气泡弹性相互作用以形成气泡直径的谐振振荡 动力学的谐振体。该谐振体的体积大约为气泡体积的3倍。
来自于这样的微气泡的散射于是将取决于LF和HF脉冲的频率和幅值。对于远 低于谐振频率的频率，非线性气泡弹性控制气泡压缩，对于高压，其需要高于2次的压 力近似。对于接近谐振的频率，可获得压力和体积压缩间的大约90度的相移。对于远 远超过谐振频率的频率，气泡压缩由具有相对于入射压力180度相移的谐振体控制，其 给出负遵从于压力。微气泡在医学上用于基于超声造影剂，但是它们在组织中的密度通 常很低以至于它们对于波传播的影响通常可被忽略，其中，主要以局部的、非线性点散 射体的形式观测它们。向前的脉冲传播因此通常观测根据公式C3)产生非线性传播延迟 的周围组织的2次弹性。利用在像心室和血管这类充满血的区域中的高密度气泡，微气 泡能对波传播速度的压力变化产生显著的非线性影响，并且由于气泡谐振还引入依赖频 率的传播速度(散射)。利用根据本发明的方法，能估计由血液中的气泡产生的非线性传 播延迟和脉冲形式畸变，并因此从气泡中分离气泡的累积的、向前传播的效应和局部非线性散射。参考公式(35，36，40)讨论关于来自于微气泡的散射的进一步的细节。
对于该大多数普遍的情形，随后我们能以下式作为用于发射的脉冲复合体101 和104的接收HF信号的模型
S1 (t) = PhlX1 (t- τ ！ (t)) +xnl (t_ τ 丄(t) ； phl，pu) a)
(4)
S2 (t) = Ph2X1 (t- τ 2 (t)) +xn2 (t- τ 2 (t) ； ph2，p12) b)
其中，phl, h2(t)是具有幅值phl, h2的HF脉冲(103/106)，而Pll, 12(t)为具有幅值 Pu, I2的LF压力脉冲(102/106)。于是由符号]Dhl, h2或Pll, 12的变化表示HF和LF脉冲的 极性的变化。τ i, 2 (t)是以快速时间t的函数形式由通过图Ia中的LF脉冲102/105非线 性控制HF脉冲的波传播速度所产生的HF脉冲103/106的非线性传播延迟。将Pl = p12/ JD11定义为两个LF脉冲的比率，对于2次传播弹性，τ2(0 =P1T1^。来自于两个脉冲 复合体101和104的非线性散射的HF信号为、(...)^P χη2 C..).线性散射信号与HF幅 值成比例并对于HF脉冲103和106被列为]DhlXl(t)和]Dh2Xl(t)，其中Xl(t)为线性散射信号 的符号。对于非线性弹性可被近似为压力的2次的材料，非线性散射信号可被近似为
权利要求
1.一种用于抑制利用弹性波对目标区域进行测量或成像中的多次散射噪声的方法，其中a)将至少两个弹性波脉冲复合体朝向所述区域发射，其中，所述脉冲复合体由具有 相同的或重叠的线束方向的高频(HF)带中的脉冲和低频(LF)带中的脉冲组成，并且其 中，HF脉冲空间上接近LF脉冲以使得至少对于部分图像深度通过所述LF脉冲观测到所 述目标的非线性改变，并且其中，对于每个发射的脉冲复合体，至少发射的LF脉冲改变 以便于非线性地控制由所述HF脉冲沿着它的至少部分传播观测到的所述目标弹性，并且 其中b)接收的HF信号由换能器从来自至少两个发射的脉冲复合体的散射的以及发射的 HF分量中的一个或两个拾取，其中，处理所述接收的HF信号以形成用于显示的测量或 图像信号，并且其中C)在形成所述测量或图像信号的过程中，所述接收的HF信号是下面的一个或两个-利用在快速时间(深度_时间)中的校正延迟校正的延迟，以及 -在所述快速时间中校正的脉冲畸变，为了由在所述LF脉冲中具有差异的至少两个发射的脉冲复合体形成校正的HF信 号，将来自不同脉冲复合体的所述校正的HF信号结合以形成具有抑制多次散射噪声的噪 声被抑制HF信号，并且其中所述噪声被抑制HF信号用于进一步处理以形成测量或图像信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，选择所述校正延迟以补偿在强力散射体/反射 体深度处发射的HF脉冲的非线性传播延迟，并且选择所述脉冲畸变校正以补偿在所述强 力散射体/反射体的深度处的所述HF脉冲畸变。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，对于增加的深度，将快速时间域分成1次和2 次区间，其中每个所述1次和2次区间成对匹配，用以增加所述1次和2次区间的增加的 深度，并且对于每个1次区间，-选择所述校正延迟以补偿在每个所述1次区间内的特征深度(快速时间)处的所述 HF脉冲的非线性传播延迟以在所述匹配的2次区间中产生校正的HF信号，并且-选择所述脉冲畸变校正以补偿在每个所述1次区间内的特征深度(快速时间)处的 所述HF脉冲畸变以在所述匹配的2次区间中产生校正的HF信号，并且-将所述校正的HF信号结合以对于所述2次区间形成所述噪声被抑制HF信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，根据2次区间中的所述噪声被抑制HF信号 来估计特定的1次区间的特征深度处所述校正延迟和所述脉冲畸变校正中的一个或者两 个，所述2次区间至少与所述特定的1次区间部分重叠或接近。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述特征深度为下面中的一个或者两个 -所述1次区间中的强力散射体的位置，以及-接近于所述1次区间的中部。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，为了抑制图像范围区间内的多次散射噪声，发 射具有不同LF带脉冲的N个脉冲复合体，产生N个接收的HF信号，且在利用k作为步 骤数的k个连续步骤的过程中抑制多次散射噪声，所述步骤数从k= 1开始直到k = K，其中，a)对于k=1的第一步骤，针对在第一深度处的非线性传播延迟和脉冲畸变中的一个 或者两个校正所述N个接收的HF信号以形成1次校正的HF信号，并且使所述1次校正 的HF信号结合以形成N-I个1次噪声被抑制HF信号，其中高度抑制接近于所述1次深 度的1次散射体的多次散射噪声，以及 b)当k<K时，所述步骤数k增加1并且过程转到点c)，否则过程结束并且采用 (N-K)个K次噪声被抑制信号以用于进一步处理，C)对于以k编号的随后步骤，针对第k深度处的剩余的非线性传播延迟和脉冲畸变中 的一个或两个，进一步校正(Ν-k+l)个(K-I)次噪声被抑制HF信号，以形成(N-k+1) 个校正的HF信号，并且使所述(Ν-k+l)个校正的HF信号结合以形成(Ν-k)个k次噪声 被抑制HF信号，其中，高度抑制接近于所述第1到所述第k深度的1次散射体的多次散 射噪声，并且过程转到b)。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，将HF和LF发射线束设计成与近场散射体相 关以使得可以忽略在所述第1深度处的所述非线性传播延迟和/或脉冲畸变的校正。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，N-K至少为2，并且其中使(N-K)个K次噪 声被抑制HF信号结合以形成具有多次散射噪声的强力抑制的线性和非线性散射的HF信 号的估计。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，将1次强力散射体的位置分成L-2个1次区 间，并且对于L个发射的脉冲复合体将所接收的HF信号建模为一组L个线性算子方程， 并且通过求解该组L个线性算子方程来获得具有噪声抑制的线性和非线性散射HF信号。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，将所述非线性散射信号与所述线性散射信号 结合以将未知量的数目和方程的数目减1。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述噪声被抑制HF信号用于对波前像差 校正的估计。
12.—种用于对来自目标区域的弹性波的非线性散射进行测量或成像的方法，其中a)将至少两个弹性波脉冲复合体朝向所述区域发射，其中，所述脉冲复合体由具有 相同的或重叠的线束方向的高频(HF)带中的脉冲和低频(LF)带中的脉冲组成，并且其 中，HF脉冲空间上接近LF脉冲以使得至少对于部分图像深度通过所述LF脉冲观测到所 述目标的非线性改变，并且其中，对于每个发射的脉冲复合体，至少发射的LF脉冲改变 以便非线性地控制由所述HF脉冲至少沿着部分图像深度观测到的散射体弹性，并且其中b)接收的HF信号由换能器从来自至少两个发射的脉冲复合体的散射的及发射的HF 分量中的一个或两个拾取，其中，处理所述接收的HF信号以形成用于显示的测量或图像 信号，并且其中C)在形成所述测量或图像信号的过程中，根据作为下面之一的所述接收的HF信号形 成中间HF信号-所述接收的HF信号，以及-噪声被抑制HF信号，并且其中，所述中间HF信号是下面的一个或两个-在快速时间中的延迟校正，以及-在快速时间中的脉冲畸变校正，以便由在LF脉冲中具有差异的至少两个发射的脉 冲复合体形成校正的中间HF信号，将来自不同脉冲复合体的所述校正的中间HF信号结 合以形成代表目标局部的非线性弹性特性的非线性测量HF信号，并且其中所述非线性测 量HF信号用于进一步处理以形成测量或图像信号。
13.根据权利要求1和12所述所述的方法，其中，发射具有LF脉冲幅值为+Ptl,O 和-Po的3个脉冲复合体，首先对其校正并且将其结合，以形成两个噪声被抑制HF信 号，校正所述噪声被抑制HF信号并将其结合以形成非线性和线性散射的信号。
14.根据权利要求1和12的方法，其中，所述脉冲畸变校正执行下述之一 -在信号的区间中进行快速时间扩展/压缩，以及-通过频率混合进行频移，以及-在脉冲畸变校正滤波器中在快速时间中进行滤波，以及 -对发射的HF脉冲进行预畸变，以及 -幅值校正，以及 -上述的任意组合。
15.根据权利要求1或12所述的方法，其中，根据下述之一获得所述校正延迟i)利用局部波传播参数的合成LF和HF弹性波场的模拟，所述局部波传播参数具有 下述之一ia)基于测量前的材料知识的假定值，以及ib)通过用于最小化图像显示中脉冲混响噪声和线性散射信号中的一个或两个而手动 调节获得的值，以及ii)用于下述之一或两者的最大抑制的所述校正延迟的手动调节iia)如在显示屏上示出的图像中的多次散射噪声，以及iib)如在显示屏上示出的图像中的线性散射的信号， 以及iii)通过对所述接收的HF信号和所述噪声被抑制HF信号之一的信号处理技术来估计。
16.根据权利要求1或12所述的方法，其中，根据下述之一获得所述脉冲畸变校正i)利用局部波传播参数的合成LF和HF弹性波场的模拟，所述局部波传播参数具有 下述之一ia)基于测量前的材料知识的假定值，以及ib)通过用于最小化如图像显示中所看到的脉冲混响噪声和线性散射信号中的一个或 两个而手动调节获得的值，以及ic)根据所获得的校正延迟的快速时间梯度获得的值， 以及ii)根据来自点散射体的区域的所述接收的HF信号和所述噪声被抑制HF信号之一的 频谱直接估计脉冲畸变。
17.根据权利要求1和12所述的方法，其中，-将所述噪声被抑制HF信号用于通过信号处理技术将所述非线性传播延迟估计为快速时间的函数，以及-将所估计的非线性传播延迟用于估计所述校正延迟，以用于非线性散射HF信号的 估计。
18.根据权利要求1和12所述的方法，其中，将具有相反极性的LF脉冲的接收HF 信号结合以降低所述噪声被抑制HF信号和非线性测量HF信号对在所述非线性传播延迟 校正和脉冲畸变校正的估计中的误差的敏感性。
19.根据权利要求3和17所述的方法，其中，对于所述2次快速时间区间，将噪声被 抑制HF信号用于估计所述2次快速时间区间的非线性散射HF信号。
20.根据权利要求12所述的方法，其中，将表示非线性散射的所述信号用于检测下述 之一或两者和/或使下述之一或两者成像-具有比周围介质高的体积柔度的目标，以及-具有比周围介质低的体积柔度的目标。
21.根据权利要求12所述的方法，其中，选择发射的HF和LF脉冲之间的时间关系， 使得对于实际的成像范围，在所述LF信号的零交点处得到HF压力脉冲，以在所述非线 性散射的HF信号中增强由具有接近于所述LF脉冲的中心频率的谐振频率的谐振散射体 散射的信号。
22.根据权利要求12所述的方法，其中，还将来自至少两个发射的HF脉冲的所述校 正的中间HF信号结合以提供表示来自目标的线性散射的线性测量HF信号，所述线性测 量HF信号具有与来自所述目标的所述非线性测量HF信号相同的衰减，并且，以所述非 线性测量HF信号和所述线性测量HF信号的局部包络的比率形成局部非线性散射参数。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，通过利用传播HF脉冲的位置处的局部LF 压力幅值的估计使所述局部非线性散射参数归一化来获得定量的局部散射参数。
24.根据权利要求15所述的方法，其中，根据所述校正延迟的快速时间梯度获得所述 目标的局部传播参数。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，通过利用在传播HF脉冲的位置处的局部LF 压力幅值的估计使所述局部传播参数归一化来获得局部定量的传播参数。
26.根据权利要求23和25所述的方法，其中，将所述定量的局部散射参数和所述定 量的局部传播参数中的一个或两个用于估计所述目标的局部温度。
27.根据权利要求23和25所述的方法，其中，将所述定量的局部散射参数和所述定 量的局部传播参数中的一个或者两个用于估计局部波传播速度的温度依赖性，并且将所 述局部波传播速度中的估计的变化用于确定局部温度中的改变。
28.根据权利要求1或12所述的方法，其中，发射宽的LF和HF线束，其覆盖具有 分离位置的多个HF接收线束，在所述分离位置拾取来自在时间上并行的每一个所述多个 HF接收线束方向的所接收的HF信号，使得与在时间上串行地从单个HF接收线束位置采 集HF接收信号相比，可以获得在2D和3D弹性波成像中的图像帧率的增加。
29.根据权利要求1或12所述的方法，其中，所述噪声被抑制HF信号和所述非线性 散射HF信号用于计算机断层图像重构。
30.根据权利要求1或12所述的方法，其中，所述处理包括抑制在所述接收的HF信 号中的所发射LF脉冲的LF分量以进一步处理的步骤，所述步骤通过下述之一来进行-在快速时间中滤波以抑制所述LF分量，以及-发射具有零HF脉冲的LF脉冲以及从所述接收的HF信号中减去来自该脉冲的接收信号。
31.一种用于目标中的弹性波谐振散射体的测量或成像的方法，其中散射特性具有频 率谐振，其中a)将至少两个弹性波脉冲复合体朝向所述区域发射，其中，所述脉冲复合体由具有 相同的或重叠的线束方向的高频(HF)带中的脉冲和低频(LF)带中的脉冲组成，并且其 中，至少发射的LF脉冲对于每个发射的脉冲复合体改变，并且其中，b)选择LF脉冲的中心频率以接近所述谐振散射体的谐振频率，使得散射体的特性 (例如，半径、位置或弹性)在入射的LF脉冲已经穿过散射体之后回响(振荡)一段区 间，并且其中，C)选择在LF和HF脉冲之间的发射时间关系，使得至少在成像范围中，在HF接收 线束内，入射的HF脉冲空间上在入射的LF脉冲之后传播，但是又十分接近，使得当所 述散射体特性从入射的LF脉冲回响时，所述HF脉冲到达所述谐振散射体，并且其中，d)接收的HF信号由换能器从来自LF脉冲中具有差异的至少两个发射的脉冲复合体 的散射的及发射的HF分量中的一个或两个来拾取，并且其中，e)将来自不同脉冲复合体的所述接收的HF信号结合以形成表示局部谐振散射体的非 线性测量HF信号，并且其中所述非线性测量HF信号用于进一步处理以形成测量或图像 信号。
32.根据权利要求21或31所述的方法，用于具有不同谐振频率的谐振散射体的成 像，其中发射一组脉冲复合体，其中LF脉冲频率在组间变化并且对于每组来说接近所述 散射体的谐振频率。
33.根据权利要求1和12所述的方法，其中，对于每个发射的脉冲复合体，改变下面 的至少一个-发射的HF脉冲的极性，以及-发射的HF脉冲的相位，以及-发射的HF脉冲的幅值，并且在接收的HF信号的处理中补偿这种变化。
34.根据权利要求1和12所述的方法，其中，所述LF脉冲的频谱由LF带中的至少两 个峰值组成，其中，对所述峰在LF频谱中的位置连同HF和LF脉冲间的相位进行设置， 使得对于所述至少两个脉冲复合体，所述HF脉冲观测具有随着深度沿着LF压力脉冲滑 动的类似LF压力，以使得对于所述至少两个脉冲复合体，所述HF脉冲的随着深度的脉 冲畸变接近相同。
35.根据权利要求1和12所述的方法，其中，所述HF脉冲由编码脉冲组成，其中， 利用在快速时间域中的滤波和来自所述至少两个脉冲的所述接收的HF信号的结合中的至 少一个，获得在快速时间中改善分辨率的快速时间脉冲压缩。
36.一种用于在目标区域中利用弹性波进行测量或成像的仪器，包括a)用于发射弹性波脉冲复合体的线束的发射装置，所述弹性波脉冲复合体由具有相 同的或重叠的线束方向的HF带中的脉冲和LF带中的脉冲组成，并且其中，HF脉冲接近LF脉冲以使得至少对于部分图像深度通过LF脉冲观测到所述目标的改变，b)换能器和接收器装置，用于拾取所述接收的HF信号作为来自所述HF脉冲的散射 的及发射的波中的一个或两个，以及C)用于处理来自所述LF脉冲中具有差异的所述发射的脉冲复合体中的至少两个的所 述接收的HF信号的装置，其中，Cl)所述处理装置至少包括产生校正的HF信号的校正装置，所述校正装置至少进行 下面中的一个或两个1)利用校正延迟的信号的延迟校正，以补偿所述HF脉冲沿着由 平均LF脉冲压力和所述HF脉冲的平均LF脉冲一起产生的传播的非线性传播延迟，以及 2)信号的脉冲畸变校正，用于所述HF脉冲沿着由LF脉冲压力以及所述HF脉冲中的变 化而产生的传播的非线性传播畸变；并且其中，c2)所述处理装置包括用于来自所述LF脉冲中具有差异的至少两个发射的脉冲复合 体的所述校正的HF信号的结合的装置，以便提供具有下述中的一个或两个的测量或图像信号 -脉冲混响噪声的抑制，以及 -从所述目标线性散射的信号分量的抑制。
37.根据权利要求36所述的仪器，其中，所述处理装置包括用于所述校正延迟以及所 述脉冲畸变校正中的一个或者两个的计算和估计中的其中之一的装置。
38.根据权利要求36所述的仪器，其中，使所述发射装置能够发射宽的HF和LF线 束，并且所述仪器包括HF接收器线束形成装置，使得其能够在时间上并行地记录来自由 所述宽的HF和LF发射线束覆盖的多个HF接收线束的所述接收的HF信号，并且所述 处理装置具有足够高的处理能力以足够快地处理来自所述多个HF接收线束的所述接收的 HF信号，使得与从在时间上串行地采集来自单个HF接收线束方向的所述接收的HF信号 相比，可以充分增加用于2D和3D成像的图像帧率。
39.根据权利要求36所述的仪器，其中，所述处理装置包括对表示下述内容的测量或 者图像信号中的一个或多个进行估计的装置_来自所述目标的线性散射，以及 -来自所述目标的非线性散射，以及 -所述目标的非线性传播参数，以及 -所述目标的定量的非线性传播参数，以及 _所述目标的局部非线性散射参数，以及 _所述目标的定量的、局部非线性散射参数。
40.根据权利要求36所述的仪器，其中，所述处理装置包括用于估计目标温度中的局 部变化的装置。
41.根据权利要求36所述的仪器，其中，为了在预设或由操作者设置的约束下的最佳 性能，通过仪器控制器选择处理方法。
42.根据权利要求36所述的仪器，其中，-可以选择LF和HF发射脉冲的时序，使得在近场中存在所述LF和HF脉冲的有限重叠，以及-所述发射装置允许设置HF和LF孔径，使得所述HF脉冲随着深度滑动到所述LF脉冲，使得-通过在传播HF脉冲的位置处的LF脉冲，可在近场中非常低地选择目标弹性的非线 性控制，并且所述非线性控制随着所述HF脉冲的传播深度增加，以获得1次散射体位于 近场中的多次散射噪声的增强的抑制，以及远场中1次散射的信号的有限抑制。
43.根据权利要求42所述的仪器，其中，所述发射装置包括换能器阵列，所述换能器 阵列设置成使得可以选择使LF发射孔径的中心部分不活跃，并且通过选择使所述中心部 分不活跃，在近场中减少通过在传播所述HF脉冲的位置处所述LF脉冲的目标弹性的非 线性控制。
44.根据权利要求36所述的仪器，其中，用于发射弹性脉冲波复合体的所述装置已经 设置了所述LF和HF脉冲的辐射表面，以便在实际成像范围内获得所述HF和LF脉冲间 的最小的相位滑动。
45.根据权利要求44所述的仪器，其中，所述HF和LF孔径具有为了辐射目的可以 近似为圆形孔径的形状，并且其中，近似圆形HF孔径的内半径和外半径的平方和等于近 似圆形LF孔径的内半径和外半径的平方和。
46.根据权利要求44所述的仪器，其中，所述LF孔径为大的、未聚焦的孔径，使得 HF成像范围在所述LF孔径的近场内。
47.根据权利要求36所述的仪器，其包括用于波前像差校正的估计和波前像差校正的直ο
全文摘要
本发明公开一种用于抑制多次散射噪声以及利用弹性波对目标区域的进行测量或者成像中的非线性散射分量的提取的方法和设备，其中，至少两个弹性波脉冲复合体朝向所述区域发射，其中，所述脉冲复合体由具有相同或重叠线束方向的高频(HF)和低频(LF)脉冲组成，且其中HF脉冲接近LF脉冲，以便于至少对于部分图像深度，通过LF脉冲观测目标的改变。对于每个发射的脉冲复合体，所述LF脉冲的频率和/或幅度和/或相位相对于所述HF脉冲变化，以便于通过HF脉冲沿着至少部分它的传播，非线性地控制所观测的目标弹性，且其中，接收的HF信号由换能器从发射的HF脉冲的散射及发射分量中的一个或两者中拾取。处理所述接收的HF信号以形成用于显示的测量或图像信号，且其中，在形成所述测量或图像信号的过程中，所述接收的HF信号为利用校正延迟快速时间(深度-时间)校正的延迟以及快速时间校正的脉冲畸变中的一个或两个，并且在慢速时间中使HF信号结合以形成用于进一步处理以便形成测量或图像信号的噪声抑制的HF信号或非线性散射HF信号。该方法可用于弹性波，其中材料弹性关于材料变形是非线性的。
文档编号G01S7/52GK102027386SQ200980107963
公开日2011年4月20日 申请日期2009年1月9日 优先权日2008年1月9日
发明者R·汉森, S·P·内斯霍尔姆, S-E·马索伊, T·A·坦根, T·F·约翰森, 比约恩·A·J·安杰尔森 申请人:海浪科技有限公司