專利名稱：超聲波譜反襯成像的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及利用探測含有反襯媒介區(qū)域超聲波后向散射的器官及組織超聲波成像方法，該方法包括將超聲波束投射到等待成像的組織區(qū)域，接收來自該組織的回波作為射頻響應信號，將該射頻響應處理成為視頻輸出信號，將該輸出信號存入視頻掃描變換器，再對該組織進行掃描以產生所檢查區(qū)域的視頻圖像。本發(fā)明還包括含有反襯媒介的器官或組織的超聲波成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于發(fā)射和接收超聲波信號的超聲波探頭，信號處理裝置，用于存儲處理后信號的裝置以及顯示裝置。同時，介紹了利用該系統(tǒng)進行器官和組織的成像方法。
隨著超聲波作為一種經濟的、非侵入式的診斷技術為人們所廣泛接受，同時隨著電子學及其相關技術的迅速發(fā)展，為超聲波設備和超聲波信號處理電路帶來了許多改進。為醫(yī)療或其它用途而設計的超聲波掃描儀已變得更便宜、更易于使用、更小巧、更精密和更加有效。然而，活組織內部所產生的聲阻抗變化微弱，且不同類型組織(血管、器官等)對超聲波能量的吸收不同，這些都使得其診斷應用不能時時跟上技術的進步。這種情形隨著可監(jiān)測超聲波反襯媒介的研制與引入而得到了顯著的改變。已經證明，向待檢查的器官引入由懸浮微氣泡或微氣球構成的反襯媒介可利用標準超聲波設備獲得該器官及其周圍組織的更清晰的超聲波圖像。因此，像肝臟、脾臟、腎臟、心臟或其它軟組織器官就變得更加清晰可見，這就為B模及多普勒超聲波開拓了新的診斷領域并拓寬了超聲波作為一種診斷工具的應用。
不幸的是，就目前情況看，關于超聲波反襯媒介的研究與開發(fā)和關于超聲波技術(即掃描裝置、電子電路、換能器以及其它硬件)的研究與開發(fā)并非同步進行的。對該領域中原本相互關聯(lián)的部分進行幾乎是孤立的研制所取得的進展可以導致個別的產品及系統(tǒng)的不斷改進；然而，這不可能提供通過聯(lián)合研究設備電子/超聲特性與反襯媒介物理性能所能夠產生的最佳協(xié)同效果。有幾個關于這樣研究的孤立實例報告了關于特定媒介/設備相結合的改進，但所提出的解決方法具有極大的局限性。用以產生更高組織分辨率、更清晰圖像以及作為診斷技術的超聲波的更大通用性的更加普遍的方法將會受到歡迎，并且，假如這些方法的實現(xiàn)相對簡便，則它們就會被廣泛地接受。
因此，大量的文獻描述了醫(yī)學領域中超聲波設備及成像的各種進展，例如美國專利US-A-4803993、US-A-4803994、US-A-4881549、US-A-5095909、US-A-5097836等等。然而，盡管這些文獻討論了實時系統(tǒng)和方法，但它們都沒有考慮反襯媒介的物理性能。實際上它們根本沒有涉及到反襯媒介。
在專利WO-A-93/12720(Monaghan)中，描述了改善超聲波成像的一種嘗試，其中公開了一種對身體某個區(qū)域進行成像的方法，該方法基于從通過引入反襯媒介而獲得的相同區(qū)域的圖像中減去未注入該反襯媒介前所獲得的超聲波圖像。根據這個響應減法原理，該方法對引入反襯媒介前后由相同區(qū)域所獲得的圖像進行疊加，從而提供與背景圖像、噪聲或寄生振蕩無關的反襯媒介灌注區(qū)域的圖像。在理論上，上述方法可以提供具有增強對比度的高質量圖像。然而，在實際上，該方法要求在長時間內保持成像區(qū)域的相同參考位置不變，也就是說該時間應足夠長，以容許反襯媒介的引入與充滿并維持大量的數據。因此，該方法的實現(xiàn)即使并非不可能，也是極其困難的。這種困難部分是由于與呼吸、消化及心跳有關的、不可避免的機體內部運動，部分是由于來自超聲波操作人員的成像探頭的移動。為了取得最佳感應、反饋及診斷，大多數實時成像探頭通常是手持的。
Burns，P.(Radiology 185 P(1992)142)以及Schrope，B.等人(Ultrasound in Med.& Biol.19(1993)567)對含有作為反襯媒介的微泡懸浮液的組織的成像改善提出了有意義的建議。在上述相應的文獻中，建議利用由微泡非線性振蕩而產生的二次諧波頻率作為多普勒成像參數。所提出的方法基于這樣的事實，即正常的組織不像微泡那樣而顯示出非線性響應，從而這種二次諧波方法容許在含有反襯媒介的組織與不含反襯媒介的組織之間進行對比度放大。盡管該方法很吸引人，但它存在著缺陷，這是由于其應用要滿足若干嚴格的要求。首先，必須通過相當狹窄頻帶的脈沖(即若干射頻周的相對長音脈沖群)而獲得″氣泡諧振″基頻的激勵。盡管該要求適合于進行多普勒處理所需的電路和條件，但它在B模成像的情況下變得不適用，因為此時的超聲波脈沖具有非常短的持續(xù)時間(典型情況為半周或一周激勵)。在這種情況下，沒有足夠的能量從基頻轉換到其″二次諧波″，因而B模成像的模式不能用于上述回波放大法。第二，在超聲回波經過組織返回換能器的過程中，所產生的二次諧波被衰減，其衰減速率由其頻率所決定，也就是說其衰減速率明顯高于基頻的衰減速率。這種限制就成為該″諧波成像″法的缺陷，從而將其應用局限于適合″二次諧波″高頻超聲波衰減的傳播深度之內。另外，為了在兩倍基頻上產生回波信號分量，″諧波成像″要求反襯媒介的非線性振蕩。這種行為迫使超聲波激勵強度在成像點(即組織中某個深度上)超過某個聲閥。在非線性振蕩期間，發(fā)生頻率轉換，尤其是導致部分聲能從基本激勵頻率被轉變成其二次諧波。從另一方面來看，上述激勵強度不應超過使微泡損壞的微泡破裂水平，從而諧波成像將由于成像區(qū)域內反襯媒介的損壞而失敗。上述限制要求成像儀器以如下方式建立以保證傳聲強度落在特定的能帶范圍內即該強度應足夠高以產生二次諧波分量，同時應盡量低以防止微泡在幾個周期內發(fā)生損壞。
因此，對照那些″前″與″后″比較的方法，處理來自規(guī)范實時(即所謂″正在進行時″)應用中同時獲得的實時回波電子信號的方法將把超聲波診斷設備的應用向前推進一大步，使之可獲得更清晰的成像，并拓寬其應用范圍。這種方法將基于利用信號處理功能對來自成像區(qū)域的回波信號進行放大，該信號處理功能的設計是以頻率響應參數為基礎而放大含有反襯媒介的區(qū)域與不包含反襯媒介的區(qū)域之間的對比度。這種方法還應當是應用簡便，且在新的儀器設計中易于實現(xiàn)。
簡言之，本發(fā)明涉及利用探測包含反襯媒介區(qū)域的超聲波后向散射而進行器官和組織超聲波成像的方法，該方法的步驟為將超聲波束投射到待成像的組織區(qū)域并接收由該組織反射作為射頻響應信號的回波，對該射頻響應進行解調而形成視頻輸出信號，將該輸出信號存入視頻掃描變換器，掃描該組織并重復上述步驟以產生被檢查區(qū)域的視頻圖像。該方法的要點在于解調這一步驟，其中包括；在反襯媒介響應的6dB帶寬低端邊界附近與組織響應的6dB帶寬高端邊界附近之間的范圍內選擇至少兩個頻率，將信號傳入至少兩個相互獨立的通道，該通道具有調諧于所選擇頻率的通帶，再對各個獨立通道中的信號進行解調。一旦解調之后，將所有信號合成為一個單個輸出信號，其中含于組織中的反襯媒介的反射回波相對于該組織本身的反射回波被明顯地放大。
另一方面，根據組織與反襯媒介的響應特性(即反襯媒介諧振頻率值相對于組織諧振頻率值的變化)，預先選擇用于設定獨立通道帶通濾波器的頻率可以在組織響應的6dB帶寬低端邊界附近與反襯媒介響應的6dB帶寬高端邊界附近之間的頻率范圍內進行選擇。
本發(fā)明還涉及利用探測包含反襯媒介區(qū)域的超聲波后向散射而進行器官和組織超聲波成像的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括超聲波探頭，用于發(fā)射和接收超聲波信號；信號處理裝置；用于存儲處理后信號的裝置以及顯示裝置。其中，信號處理裝置包括用于將信號分別送入至少兩個相互獨立且具有通帶的通道的裝置，該通道可獨立調諧于至少兩個頻率，該頻率位于反襯媒介響應的6dB帶寬低端邊界與組織響應的6dB帶寬高端邊界之間，或位于組織響應的6dB帶寬低端邊界與反襯媒介響應的6dB帶寬高端邊界之間；至少兩個射頻解調器，各自為上述獨立通道所用；以及用于將來自各個獨立通道的解調信號加工成單個輸出的裝置，其中由組織中所含反襯媒介的反射回波相對于該組織本身的反射回波而被明顯地放大。獨立通道的分離可以利用普通可變帶通濾波器或具有不同處理算法(例如快速傅里葉變換，短時傅里葉變換、小波變換或車普-Z(Chirp-Z)變換)的頻譜分析儀而進行。
本發(fā)明還介紹了用于處理由含有反襯媒介的組織反射、作為射頻信號的超聲回波的裝置，該裝置包括至少兩個具有可獨立調諧于預定頻率的通帶的獨立通道，以及至少兩個射頻解調器，即每個通道一個。三或四個獨立通道可能提供更為清晰的圖像；然而，通道的增加則增大了系統(tǒng)的復雜性，從而通道數目的選擇將是在圖像質量與系統(tǒng)復雜程度之間進行折衷的結果。
本發(fā)明還揭示了利用本系統(tǒng)對病人及病畜組織或器官進行超聲波成像的情形。
附圖簡要說明

圖1給出了不同反射物脈沖回波的頻率響應曲線。
圖2為描述根據本發(fā)明線陣回波探測儀中雙頻B模反襯成像的框圖。
圖3描述了根據本發(fā)明的多頻反襯成像過程。
關于本發(fā)明的主要內容是基于這樣的意外發(fā)現(xiàn)，即通過利用實時方法探測含有反襯媒介區(qū)域的超聲波后向散射獲得了器官及組織的增強圖像。在該實時方法中，超聲波束在待成像組織區(qū)域的投射、組織的反射回波、回波的接收并被轉換成射頻響應信號的過程通過至少兩個具有調諧于所選定頻率的通帶的獨立通道而進行。每個通帶調諧于不同的預定頻率，依賴于反襯媒介和組織的特性，在反襯媒介諧振頻率低于組織最大響應的情況下，該預定頻率在反襯媒介響應的6dB帶寬低端邊界附近與組織響應的6dB帶寬高端邊界附近之間的頻率范圍內選擇。然而，當反襯媒介的諧振頻率高于組織的最大響應時，該預定頻率應在組織響應的6dB帶寬低端邊界附近與反襯媒介響應的6dB帶寬高端邊界附近之間的頻率范圍內選擇。該6dB帶寬的定義是指響應保持在最大幅度50％以上的頻率范圍。作為獨立通道而被分離的信號隨后被解調并加工成單個輸出信號，其中含于組織中反襯媒介的反射回波相對于組織本身(即不含反襯媒介的組織)的反射回波而言被明顯地放大。接著，該輸出信號被存入視頻掃描變換器并對組織進行掃描以產生被檢查區(qū)域的實時視頻圖像。掃描而產生視頻圖像在此具有其常規(guī)意義，即將超聲波能量順序地沿預先定義的掃描線進行掃描，接收反射回波的頻率依賴特性并對每條掃描線做若干次處理。然后，對構成每個視頻圖像的一組掃描線重復若干次上述過程。
顯然，這里所公開的實時方法僅對含有反襯媒介的器官或組織有效或適用，因為在本發(fā)明的范圍當中，不用反襯媒介而進行器官和組織成像并不比常規(guī)的超聲波成像更為優(yōu)越。
已經證明，獨立通道數目越多，所生成的圖像質量就越好。因此，工作在至少三個預定頻率的系統(tǒng)比僅工作在兩個預定頻率的系統(tǒng)顯示出更高的分辨率。但是，增加所使用獨立通道的數目存在著實際的限制。若增加該數目超過四個，盡管可能導致圖像質量的進一步改善，但卻增加了方法和系統(tǒng)的復雜性，從而增加成本并使信號處理復雜化。
術語″組織本身″或無反襯媒介的組織是指反襯媒介不能進入的組織部分，即未被引入病人體內的反襯媒介所灌注的組織。投射到待成像區(qū)域的超聲波在其穿過組織并返回的途中，將會通過充滿反襯媒介的部分或截面以及其它不含反襯媒介的部分或截面。不應將此與已知的在反襯媒介引入前后對相同器官或組織進行成像的方法相混淆。在此，在整個成像期間該反襯媒介均存在，只不過是對媒介灌入區(qū)與非灌入區(qū)進行區(qū)別而已組織響應一詞是指作為頻率的函數的雙程能量轉移，包括電激勵、電-聲轉換、組織中超聲波傳播與反射、聲-電轉換、射頻放大以及一般性處理過程。
本發(fā)明新成像方法中的基本原理是基于利用超聲波反襯媒介的頻率依賴特性。本質上，這些成像原理依賴于或利用了反襯媒介響應的某種物理特性或″簽名″，從而增強相對于背景的對比度。人們發(fā)現(xiàn)，所研究的媒介的物理特性與其組成結構相關，其相關的程度是發(fā)現(xiàn)反襯媒介特征的概念為實驗觀測的最接近的模擬。所描述了對比度放大程度遠大于通過直接回波振幅監(jiān)測所獲得的情形，從而其潛力是相當可觀的。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點來源于這樣的事實，即在本質上，所采用的參數不要求任何非線性，也就是說這些參數不要求反襯媒介工作在非線性方式下，這是由于所需的信號處理算法不依賴于在預定水平上激勵反襯媒介。相反，它可以工作在線性或非線性響應的條件下。
重要的是，頻率的選擇應使得來自組織中反襯媒介反射回波的振幅與組織本身(即不含反襯媒介的組織)反射回波的振幅之差或比率為最大；這將在用上述方式選擇頻率的情況下而實現(xiàn)。為方便起見，所選頻率之一可以是反襯媒介的諧振頻率，而另一個或另一些頻率則選得更高或更低。在反襯媒介諧振頻率低于組織響應最大值的情況下，第二選定頻率應更高，而在組織最大響應低于反襯媒介諧振頻率的情況下，第二選定頻率應與上述相反，即更低。對具有不同回波諧振頻率曲線的反襯媒介進行實驗的結果表明，在大多數情況下，反襯媒介的諧振頻率低于組織響應的最大值；然而，也可能存在與上述相反的情形。在任何情況下，無論涉及第一種情形還是第二種情形，對應于接收回波的電子信號均通過獨立通道，然后被解調。經解調的各獨立通道的信號隨后以某種簡便的方式(如相除、相減、相加或各種方法的組合)被加工成為單個的輸出信號。典型地，該處理過程是這樣進行的，即該處理算法給出來自組織中反襯媒介反射回波信號幅度與不含反襯媒介組織反射回波信號幅度之間的最大差值。舉例而言，響應于輸入頻譜分量S(f1)、S(f2)、S(f3)等等的輸出信號Sout可以被加工成正比于下列算法之一的信號Sout＝S(f1)－S(f2)，Sout＝[S(f1)－S(f2)]/S(f1)，Sout＝[S(f1)－S(f2)]/S(f2)，Sout＝2[S(f1)－S(f2)]/[S(f1)＋S(f2)]，Sout＝{[S(f1)－S(f2)]/2－S(f3)}/{[S(f1)＋S(f2)]/2}，Sout＝{[S(f1)－S(f2)]/2－S(f3)}/S(f3)，Sout＝S(f1)/S(f2)，Sout＝InS(f1)－InS(f2)，或上述的任意組合。在所有的情況下，下列選擇可以適用a)若Sout＜0，則令Sout＝0。
b)若Sout＜0，則用|Sout|代替Sout。
c)輸出信號Sout可以用其自然對數或任何其它非線性函數代替。
d)可以對分量S(f1)、S(f2)和S(f3)進行任意排列。
e)可以將任意分量S(f)換成其平方S2(f)。
f)任意分量S(f)可以用其在f附近通帶Df內的均方平均值代替即 。
g)可以選用較其余頻率處響應更有利于頻率f附近響應的任何其它處理選擇。
還應指出，預選或預定頻率值的選擇可以看成是反射回波到達時間的函數，其中該預定頻率用于設置獨立通道，這些通道可以是普通的可變帶通濾波器，或者是相應的等效器件，如應用快速傅里葉變換的頻譜分析儀。這就是說，由于來自特定成像器官或組織的超聲波響應依賴于它在身體內所穿透的深度，從而圖像的質量將依賴于所用頻率的選擇。因此，對于位于深層的組織和器官，應用較低頻率可獲得較好的圖像，而對于接近換能器的器官或組織則應采用移向較高端的參考頻率進行成像。
另一方面，本發(fā)明還包括了利用探測含有反襯媒介區(qū)域的超聲波后向散射進行器官和組織成像的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用以發(fā)射并接收超聲波信號的超聲波換能器和電子線路、信號處理裝置、用于存儲處理后信號的裝置以及顯示裝置。其中，信號處理裝置包括用于將信號分離成至少兩個具有通帶的獨立通道的裝置，該通帶可獨立調諧于至少兩個頻率上，該頻率位于反襯媒介響應的6dB帶寬低端邊界與組織響應的6dB帶寬高端邊界之間，或位于組織響應的6dB帶寬低端邊界與反襯媒介響應的6dB帶寬高端邊界之間；至少兩個射頻解調器，每個獨立通道一個；以及用于將來自獨立通道的解調信號加工成單個輸出信號的裝置，在該輸出信號中，組織中反襯媒介的反射回波相對于組織本身的反射回波被明顯地放大。用于將信號分離成獨立通道的裝置可以是普通的可變帶通濾波器。正如已經指出的，具有三個獨立通道的系統(tǒng)比只具有兩個獨立通道的系統(tǒng)更優(yōu)越，而具有四個獨立通道的系統(tǒng)比具有三個獨立通道的系統(tǒng)更優(yōu)越；但是，所用獨立通道的精確數目將考慮復雜性/利益比而確定。
根據本發(fā)明的另一種方案，取代帶通濾波器，該系統(tǒng)可以使用頻譜分析儀，該頻譜分析儀的工作方式實質上是相同的，即利用上述預定頻率，不管其選定值是否為反射回波到達時間的函數。該頻譜分析儀可利用快速傅里葉變換，本普-Z(Chirp-Z)變換、短時傅里葉變換或小波變換進行信號處理。這些處理技術的選擇或其它形式的選擇[例如分裂譜(split-spectrum)處理]要由成像環(huán)境所提出的要求而決定(如信/噪比、聲干擾、軸向分辨率要求，等等)。例如，將小波變換成分裂譜(split-spectrum)處理應用于固體材料的超聲波探傷已經顯示出了它們潛在的優(yōu)越性，這些應用場合是比較困難的，其中所感興趣的回波形狀很相似或回波的振幅低于背景干擾(例如，Xin，J.等人N.M.，1992年IEEE超聲學研討會)。
頻譜分析儀還可以包括零交叉檢測器或自相關鑒別器。預定頻率是不同的選定頻率，它們位于反襯媒介響應的6dB帶寬低端邊界附近(或周圍)與組織響應的6dB帶寬高端邊界附近(或周圍)之間，或位于組織響應的6dB帶寬低端邊界附近(或周圍)與反襯媒介響應的6dB帶寬高端邊界附近(或周圍)之間。正如已經指出的，其精確的區(qū)域將依賴于所提到的兩種不同的可能情形。
作為選擇，該系統(tǒng)還可包括連接于解調器并放置在解調器之間的非線性放大器，以及至少一個模擬減法/除法放大器。然而，該系統(tǒng)總包含用于將各個獨立通道的解調信號加工成單個輸出信號的裝置，其處理方式是使組織中反襯媒介的反射回波相對于不含反襯媒介組織的反射回波而言被明顯地放大。該處理裝置包含至少一個模擬減法/除法放大器，用以利用上面例舉的一種或幾種算法對輸出信號進行處理。然而，正如已經指出的，該系統(tǒng)并不局限于使用任何這些算法，因為它們只是作為例子而給出的。
本發(fā)明的系統(tǒng)可包含模擬或數字視頻掃描變換器，作為優(yōu)選方案，任何信號處理均由數字電子電路而執(zhí)行，該電路用于處理由超聲回波信號的模擬/數字變換而獲得的數據?？梢杂枚囝l處理對輸出信號的幅度按不同視頻色彩進行編碼，然后再將其疊加在利用B模成像中通常的處理方式而得到的普通灰度視頻圖像上。
這里所公開的方法和系統(tǒng)的優(yōu)點同樣可以在信號通道為脈沖多普勒超聲波系統(tǒng)接收機的一部分的系統(tǒng)中加以利用，其中還可包括表示速度分布譜的譜域視頻輸出和/或音響信號輸出，該音響信號輸出的優(yōu)選方案是使用揚聲器，但也可使用任何其它便利的聲音重放設備。在脈沖多普勒超聲波系統(tǒng)中還可包括各種各樣有利的選擇，例如可包括二維速度分布圖，該分布還可以進行色彩編碼，還可以包括從移動目標多普勒回波分量中導出的回波振幅或能量的二維分布圖，可選擇低于或高于某給定值的預定速度閥值。
最后，使用回波譜域傅里葉、車普-Z(Chirp-Z)或小波變換分析的系統(tǒng)的工作，可以將該譜域分析應用于回波的滑動時間窗范圍之內。
本發(fā)明的又一個方面包括一種超聲波設備，該設備包含有用于發(fā)射與接收超聲波信號的超聲波探頭、信號處理裝置，濾波裝置、用于存儲處理后信號的裝置以及顯示裝置，其中該信號處理裝置含有上述處理超聲回波的一種或多種裝置。本發(fā)明的超聲波設備可用于病人和病畜的組織或器官成像，且特別適用于心血管系統(tǒng)的成像。
為了進一步說明所公開的成像方法，考察人體中各種散射體經過傳播之后所預期的聲能響應是有益的。圈1描述了脈沖回波系統(tǒng)的典型頻率響應即組織的發(fā)射—接收響應(包括電—聲換能器響應以及作為頻率函數的組織中的微分衰減)，以及含有單一尺寸微泡的反襯媒介的發(fā)射—接收響應。在本例中，fr為反襯媒介中微泡的諧振頻率，而f1和f2為適當選擇的、不同于fr值的頻率分量值。當激勵幅度使得產生非線性振蕩時，能量同樣在二次諧波頻率2fr處被后向散射。在圖1中，重要的是應當明白，所給出的曲線對于反襯媒介和組織本身是各具特點的。換句話說，這些曲線代表了這些不同超聲波反射體的響應。在實際的自然成像條件下，回波信號為各種被超聲波束所照射的目標(或反射體)響應的疊加。因此，相應回波信號的譜也是來自各個反射體超聲回波波譜的疊加。
當信號被接收并利用算法Sout＝S(fr)/S(f1)、Sout＝S(f1)/S(f2)、Sout＝[S(f1)－S(f2)]/S(f2)或其它所提到的算法進行處理時，不是來自反襯媒介的回波信號振幅明顯低于來自反襯媒介的回波信號振幅。原因在于頻率f1和f2的選擇。舉例來說，這種選擇使得組織響應在f1的振幅與組織響應在f2的振幅比(即T(f1)/T(f2))遠遠小于反襯媒介響應在f1的振幅與反襯媒介響應在f2的振幅比(即A(f1)/A(f2))。
這種類型的信號處理基本上可用于多種標準回聲探測儀的成像模式，例如機械B模掃描、線性或相控陣列電子B模掃描、對圖像由散射體相對速度編碼的彩色多普勒成像或能量彩色多普勒成像。在能量彩色多普勒成像當中，經多普勒電路檢測之后，圖像色彩由回波振幅單獨進行編碼，其中多普勒電路消除了所有來自靜止目標的回波。
實際上，本發(fā)明要求頻率分量從原始射頻回波信號中提取出來；這可以通過硬件或軟件手段以多種方式加以實現(xiàn)，而所有這些均涉及到本發(fā)明的范圍。在以下的介紹中，描述了一種硬件方案，該方案采用配備有模擬帶通濾波器的雙通道放大器在f1和f2處提取回波分量，然后計算解調信號比以便在掃描變換器上產生視頻圖像。另一種選擇是利用數字電路，該電路對回波波形取樣數據進行快速傅里葉變換、車普-Z(Chirp-Z)變換或小波變換。
在模擬形式中，圖2描述了本發(fā)明線陣回波探測儀中一種典型的多頻B模反襯成像。該回波探測儀至少包括下列組成部分計時電路1，時間增益控制電路2，射頻發(fā)射饋相電路3，脈沖發(fā)射電路4，Tx/Rx-(發(fā)射/接收)單元多路調制器5，超聲波換能器6，射頻接收饋相電路7，具有時間增益函數的接收放大器8，設置于頻率f1的帶通濾波器9，設置于頻率f2的帶通濾波器9’，射頻解調器與非線性放大器(通道1)10，射頻解調器與非線性放大器(通道2)10’，模擬減法/除法放大器11，視頻挪描變換器12以及視頻監(jiān)視器13。
在工作原理上，計時電路專門用來定義脈沖重復頻率，該重復頻率是根據對待成像區(qū)域順序掃描而構造二維回波成像所必需的。對各個順序的脈沖激勵，該計時電路還為時間依賴函數定義了時間原點，其中時間依賴函數用以向來自不斷增大的深度的回波信號提供可變放大增益。該函數通過被稱為“時間增益控制電路”的單元而實現(xiàn)，該單元的輸出可以是變化的電壓，該電壓應用于具有可調增益接收放大器的增益控制。該計時電路還定義發(fā)射饋相，該饋相是精確地順序激勵線陣換能器各個單元以產生波束聚焦和掃描所必需的，其形式可以為順序觸發(fā)信號脈沖群，預備應用于多通道電激勵電路(″脈沖發(fā)射電路″)。該計時電路還提供將預先定義的陣單元組與脈沖發(fā)射電路建立聯(lián)系所需的信號，這是利用由發(fā)射/接收單元多路調制器所提供的連接而實現(xiàn)的。接收超聲波束的聚焦與掃描通過射頻接收饋相電路來完成，該電路的相位和延遲調節(jié)也由該計時電路來控制。該接收饋相電路的輸出信號隨后被引入前述具有時間增益控制電路的放大器。正是該放大器的輸出被作為公共輸入饋至前述多處理通道，用以分離接收回波中的頻率分量。圖2的例子利用將回波信號通過不同的帶通濾波器進行饋送而完成頻率分離，然后象普通回波探測儀一樣，再經過射頻解調和非線性放大。接著，多處理通道的各個輸出作為輸入信號被引至模擬減法/除法放大器，該放大器設計用于完成前述各種處理算法，它利用了電子電路眾所周知的函數特性。該放大器的輸出隨后被送至視頻掃描變換器的輸入端，準備對各個順序脈沖將輸入數據以相應于所選波束的掃描和定位的模式記錄下來。因此，利用以特定的重復率重復上述過程，且每一次均改變波束掃描和/或聚焦以獲得器官和組織中順序位置的回波，該掃描變換器的輸出信號對視頻監(jiān)視器上顯示的二維圖像進行實時更新，即其速率在每秒幾幀圖像到每秒幾百幀圖像之間，這種速率對于儀器操作人員再現(xiàn)運動感覺是足夠的。在上述過程中，與含有反襯媒介區(qū)域相應的回波探測圖像區(qū)域的對比度相對于用常規(guī)儀器在類似成像條件下獲得的圖像而言被明顯地放大。
經本發(fā)明信號處理所產生的回波探測圖像由來自反襯媒介的圖像元素(像素)組成，其強度遠遠大于來自典型組織回波的像素，這是由于只有反襯媒介才具有特定的頻率響應特征，從而其回波信號能通過減法/除法處理而被放大。典型地，B模成像的效果如圖3所示。在反襯媒介存在的情況下，標準B模成像與本發(fā)明成像的模擬圖像說明了利用本發(fā)明方法可以獲得的效果。在該圖中，雙頻B模成像的標注意味著只考慮兩個預定頻率選擇。
正如已經指出的，可以對多普勒通道處理應用類似的處理過程，用以在速度色彩編碼或能量色彩編碼的二維多普勒成像情況下獲得改善的對比度放大。
本發(fā)明所公開的成像方法利用了線性后向散射模式下反襯媒介的頻率響應，該響應是某種典型的函數，它明顯區(qū)別于組織的頻率響應。在本說明的范圍內，術語″成像″不加區(qū)別地應用于超聲波B模成像(像素強度依賴于回波強度而與運動無關)、色彩多普勒能量(素色色彩或強度依賴于相對速度低于或高于某個閥值的目標回波強度)或色彩多普勒處理(像素著色為相對目標速度的函數)的范圍內。
本發(fā)明可應用于所有利用超聲波反襯媒介對組織進行灌注的探測系統(tǒng)，也可應用于回波探測成像儀中的電子電路，例如用于醫(yī)用診斷回波探測成像儀中的電子電路。本發(fā)明的實現(xiàn)需要在體內(或更一般而言在成像區(qū)域內)注入特定的反襯媒介。
權利要求
1.利用探測含有反襯媒介區(qū)域超聲波后向散射而進行器官和組織超聲波成像的實時方法，該方法包括向待成像組織區(qū)域投射超聲波束，接收來自組織的反射回波作為射頻響應信號，將該射頻響應信號加工成為視頻輸出，將該視頻輸存儲于視頻掃描變換器以及對組織進行掃描以產生被檢測區(qū)域的視頻圖像，該方法的特點在于對響應的處理，它包括以下步驟a)在反襯媒介響應的6dB帶寬低端邊界與組織響應的6dB帶寬高端邊界之間，或在組織響應的6dB帶寬低端邊界與反襯媒介響應的6dB帶寬高端邊界之間的范圍內選擇至少兩個頻率；b)將信號通過至少兩個具有調諧于選定頻率的通帶的獨立通道進行傳輸；c)對各個獨立通道的信號進行解調并將它們加工成單個輸出，其中組織中反襯媒介的反射回波相對于組織本身的反射回波被顯著地放大。
2.根據權利要求1的方法，其中頻率的選擇是在反襯媒介響應的6dB帶寬低端邊界與組織響應的6dB帶寬高端邊界之間的頻率范圍內進行。
3.根據權利要求1的方法，其中頻率的選擇是在組織響應的6dB帶寬低端邊界與反襯媒介響應的6dB帶寬高端邊界之間的頻率范圍內進行。
4.根據權利要求1的方法，其中頻率選擇的原則是使組織中反襯媒介反射回波振幅與不含反襯媒介組織反射回波振幅的差值或其比值為最大。
5.根據權利要求1的方法，其中至少選擇三個頻率，且信號至少通過三個獨立通道進行傳輸。
6.根據權利要求1的方法，其中選定頻率之一為反襯媒介的諧振頻率。
7.根據權利要求1的方法，其中選定頻率的數值為反射回波到達時間的函數。
8.根據權利要求1的方法，其中經過解調的通道信號利用除法、減法、加法或其組合算法進行處理。
9.利用探測含有反襯媒介區(qū)域的超聲波后向散射進行器官和組織成像的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于發(fā)射和接收超聲波信號的超聲波換能器和電子電路、信號處理裝置、存儲處理后信號的裝置以及顯示裝置，其特征在于信號處理裝置，該處理裝置包括a)用于將信號分離成至少兩個具有通帶的獨立通道，其中通帶可獨立調諧于至少兩個預定頻率上，該預定頻率在反襯媒介響應的6dB帶寬低端邊界與組織響應的6dB帶寬高端邊界之間，或在組織響應的6dB帶寬低端邊界與反襯媒介響應的6dB帶寬高端邊界之間進行選擇；b)至少兩個射頻解調器，每個獨立通道一個；c)用于將各獨立通道的解調信號加工成單個輸出的裝置，其中組織中反襯媒介的反射回波相對于組織本身的反射回波而言被顯著地放大。
10.根據權利要求9的系統(tǒng)，其中信號被分成至少三個獨立通道。
11.根據權利要求9的系統(tǒng)，其中用于分離信號的裝置為可變帶通濾波器或頻譜分析儀。
12.根據權利要求9或11的系統(tǒng)，其中預定頻率為不同的選定頻率，該頻率位于反襯媒介響應的6dB帶寬低端邊界附近與組織響應的6dB帶寬高端邊界附近之間。
13.根據權利要求9或11的系統(tǒng)，其中預定頻率為不同的選定頻率，該頻率位于組織響應的6dB帶寬低端邊界附近與反襯媒介響應的6dB帶寬高端邊界附近之間。
14.根據權利要求12或13的系統(tǒng)，其中預定頻率為反射回波到達時間的函數。
15.根據權利要求9或11的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)進一步包含接于信號分離裝置且具有時間增益函數的接收放大器和/或接于解調器的非線性放大器。
16.根據權利要求9或11的系統(tǒng)，其中處理裝置包括至少一個用于處理輸出信號的模擬減法/除法放大器。
17.根據權利要求9或11的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)包含視頻掃描變換器。
18.根據權利要求9或11的系統(tǒng)，其中任何信號處理可以用數字電子電路完成，即對由超聲回波信號的模擬-數字變換而得到的數據進行處理。
19.根據權利要求9的系統(tǒng)，其中多頻處理用于按不同視頻色彩對輸出信號進行編碼，準備疊加于通過B模成像中通常處理方法而得到的普通灰白視頻圖像之上。
20.根據權利要求9的系統(tǒng)，其中信號通道為脈沖多普勒超聲波系統(tǒng)接收機的一部分。
21.根據權利要求20的系統(tǒng)，其中脈沖多普勒超聲波系統(tǒng)含有利用揚聲器而產生的音頻信號輸出。
22.根據權利要求20的系統(tǒng)，其中脈沖多普勒超聲波系統(tǒng)包含表示速度分布譜的特定視頻輸出。
23.根據權利要求20的系統(tǒng)，其中脈沖多普勒超聲波系統(tǒng)包含二維速度分布圖。
24.根據權利要求23的系統(tǒng)，其中二維速度分布圖為色彩編碼。
25.根據權利要求20的系統(tǒng)，其中脈沖多普勒超聲波系統(tǒng)包含來自運動目標多普勒回波分量的回波振幅或能量的二維圖
26.根據權利要求20的系統(tǒng)，其中脈沖多普勒超聲波系統(tǒng)包含來自以低于預定閥值速度運動目標的多普勒回波分量的二維圖。
27.根據權利要求20的系統(tǒng)，其中脈沖多普勒超聲波系統(tǒng)包含來自以高于預定閥值速度運動目標的多普勒回波分量的二維圖。
28.根據權利要求11的系統(tǒng)，其中對回波的譜域傅里葉變換、車普-Z(Chirp-Z)變換或小波變換分析應用于回波的滑動時間窗之內。
29.利用權利要求1中的方法處理作為射頻信號的、由含反襯媒介組織所產生的超聲回波的裝置，該裝置的特征在于，它含有將信號分成至少兩個具有可獨立調諧于預定頻率的通帶的獨立通道的裝置，以及至少兩個射頻解調器(每個通道一個)。
30.根據權利要求29的裝置，其中包含用于將信號分成至少三個獨立通道的裝置。
31.利用權利要求9至28的超聲波系統(tǒng)對病人和病畜的組織或器官進行成像。
32.利用權利要求9至28的超聲波系統(tǒng)對心血管系統(tǒng)進行成像。
全文摘要
本發(fā)明適用于回波探測成像儀(如醫(yī)用診斷的回波探測成像儀)中的電子電路，其實現(xiàn)要求在體內或更一般而言在成像區(qū)域內注入特定的反襯媒介。所提出的新型成像方法的內在原理是基于對含有微泡的超聲波反襯媒介頻率依賴特性的利用。本質上，這些成像原理利用了反襯媒介響應的某些物理“表征”，從而增強其相對于組織背景的對比度。該對比度的放大遠大于由直接回波振幅監(jiān)測所確定的情形。
文檔編號G01S7/52GK1135712SQ95190933
公開日1996年11月13日 申請日期1995年9月21日 優(yōu)先權日1994年9月22日
發(fā)明者馬塞爾·阿蒂迪 申請人:勃勒柯研究有限公司