多發射焦點拼接中提高圖像幀率的方法
2023-04-24 20:04:56 1
專利名稱：多發射焦點拼接中提高圖像幀率的方法
技術領域：
本發明涉及超聲技術，特別涉及多發射焦點超聲成像系統中的發射接收控制技術，尤其是涉及提高圖像拼接幀率的方法。
背景技術：
在傳統醫用超聲成像系統的波束形成中，需要對接收掃描線上的每一點逐點動態聚焦接收，就是對各不同深度的接收點，通過連續地改變探頭各個陣元接收到的回波延時和探頭陣元的接收孔徑，來使得對所述各點的接收均能達到聚焦效果。
但是，這種動態聚焦的方法只能用於接收，而不能用於發射。因為在每一次脈衝發射時，調節探頭髮射陣元的孔徑大小和各個陣元的延時，可以使發射脈衝聚焦於發射掃描線上某一個焦點；可發射脈衝一旦被發射出，其發射焦點便不再能被調整。這樣，在深於非焦點區域的深度，發射脈衝會發散，不能夠較好地聚焦。一般可以通過減少發射孔徑來減少這種發射聚焦誤差。但是減少發射孔徑會使發射脈衝帶寬變寬，從而降低圖像的橫向解析度，影響圖像質量。
所述發射聚焦和發射脈衝帶寬相對立的問題，傳統上可以使用多焦點拼接方法來解決。所述多焦點拼接就是將接收掃描線沿深度分成幾個區域，每個區域對應著不同的發射焦點；對於每個區域，發射聚焦的焦點大約位於區域中心，而每次接收回波依然採用動態聚焦法。這樣，系統需要多次發射脈衝，每次發射焦點均不同；在接收每次發射焦點區域的回波時，僅保留該區域附近的回波數據以供進一步處理，而捨棄其他回波數據；最後，系統將不同發射焦點對應的回波片斷組合起來，就形成一條完整的接收掃描線。從而，所述接收掃描線允許每個區域中發射脈衝具有較窄的帶寬，以提高圖像的橫向解析度和圖像質量。
以圖1示意的多焦點拼接超聲系統為例。在該超聲成像系統中，具有一個多陣元的超聲換能器(探頭)，主控制系統可以通過控制發射/接收模塊來實時切換超聲波的發射和接收。當切換到超聲波發射狀態時，該超聲換能器的每一個壓電陶瓷陣元接收來自發射脈衝模塊的驅動脈衝，將該驅動脈衝的能量轉換成超聲波進行發射。當切換到超聲波接收狀態時，所述超聲換能器的各個陣元獨立地接收超聲波回波，將超聲波能量轉換成電能量。
在超聲成像時，發射/接收模塊先被切換到發射狀態，系統通過發射脈衝控制模塊來控制發射脈衝的形狀、延時，以及參與發射的陣元，使發射的超聲波聚焦到預定掃描線上的預定焦點位置。這樣，所述發射超聲波在該焦點處帶寬最窄，而在掃描線的其他位置上的帶寬會較寬。該多焦點拼接系統一般要在同一條發射掃描線的位置上，多次連續發射脈衝，次數和多焦點拼接的數目相同，每次發射脈衝的焦點通過改變各個陣元的發射延時而不同。接著，所述發射/接收模塊切換到接收狀態，超聲回波經超聲換能器各陣元接收轉換成電信號。該電信號先經時間增益補償放大器放大，以補償不同深度下的超聲波衰減；再送往波束合成模塊，調整各陣元回波的延時並進行變跡，以提高當前接收掃描線回波信號的信噪比。所述變跡是指將不同通道的回波相加之前各個通道回波乘以一定的係數，其中，變跡係數將隨著深度不同而變化，並和回波延時一樣，均由系統CPU加以控制調整(圖中未標示)。
經波束合成後的回波信號一般還要經動態濾波來提高信噪比。所述動態濾波的濾波器中心頻率和頻帶將隨著回波深度不同而變化。因為回波頻率高的成分在圖像中縱向解析度較高，但隨深度的衰減比較大；回波頻率低的成分在圖像中縱向解析度較低，但隨深度的衰減比較慢，能探測到較深的深度，所以動態濾波實現的是在探測深度較淺的地方選擇信號的高頻成分(保證圖像縱向解析度較高)，而在探測深度較深的地方則選擇信號的低頻成分(保證系統的探測深度)，以供系統成像。
經動態濾波後的回波信號頻率仍然較高，還是屬於射頻信號，還要經包絡檢測來獲得回波信號的包絡。所述包絡檢測可以採用對回波信號的絕對值作低通濾波的方法；也可以採用對正交解調後的兩路正交信號取模檢測的方法。因為包絡信號變化較慢，頻率較低，所以對包絡檢測後的信號進行模數轉換的採樣率較低。
若所述發射脈衝不是對應最後一個發射焦點，則所述包絡檢測並模數轉換後的數據送往多焦點拼接模塊的緩存。保存在該緩存中的同一發射掃描線的回波數據經多焦點拼接處理後，能產生一條完整掃描線的圖像數據。系統逐條將拼接後的掃描線數據送往顯示模塊。該顯示模塊根據系統特點會對數據作相應的顯示處理，比如可以通過掃描變換來將極坐標數據變換成屏幕上顯示的點陣數據。圖3表示了拼接多發射焦點回波信號後獲得的拼接信號示意圖。同一掃描位置的掃描線對應的回波信號是系統經三次發射和接收後，三次接收到的回波在不同接收區域拼接處理合成為完整的接收回波。
因為多焦點拼接時，需要多次發射不同發射焦點的脈衝波，對不同發射焦點的脈衝回波進行拼接，最後形成完整接收掃描線的數據；所以，最後圖像的幀率會降低。一般來說，如果採用n個焦點發射，圖像幀率就會下降為原來的1/n。為此，美國專利US 6,432,056公開了一種利用多波束接收來提高多焦點拼接圖像幀率的方法。具體是，在多波束接收超聲系統中，若第一次發射時對應掃描線位置是T1，發射焦點靠近探頭，接收掃描線以T1為中心對稱分布，其位置分別是R1L和R1R；則令第二次發射對應的掃描線位置是和T1不重合的T2，發射焦點遠離探頭，接收掃描線以T2為中心兩邊對稱分布，分別是R2L和R2R；使其中R1R和R2L的接收位置相同，但是發射焦點並不相同；則R1R和R2L都滿足多焦點拼接條件。這樣，對R1R和R2L進行焦點拼接，就能形成多焦點拼接圖像。使用該方法，不需要在同一掃描線位置重複發射，圖像幀率可以因此得到提高。
上述現有技術的主要不足在於US 6,432,056所公開的方法雖然能提高多焦點拼接的圖像幀率，但該系統前端需要能支持多波束接收，提高了系統複雜度和實現成本；而且，該系統採用的發射技術會使圖像橫向解析度有所下降。
發明內容
本發明要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，而提出一種提高圖像幀率的方法，當超聲成像系統採用拼接多發射焦點回波信號來獲得掃描圖像時，使用本發明方法，能提高圖像幀率，同時不影響拼接後的圖像質量，並使系統具有較低的實現成本。
為解決上述技術問題，本發明的基本構思為對於發射焦點位置較淺的發射脈衝，設置較短的回波接收脈衝重複周期；對於發射焦點位置較深的發射脈衝，設置較長的回波接收脈衝重複周期。這樣能減少形成一條接收掃描線的總花費時間，從而提高成像幀率，同時並不影響多焦點拼接後的圖像質量。
作為實現本發明構思的技術方案是，提供一種多發射焦點拼接中提高圖像幀率的方法，用於採用拼接多發射焦點回波信號來獲得掃描圖像的超聲成像系統，包括反覆切換執行的步驟A.系統對目標進行掃描，在每一掃描位置進行多次不同發射焦點的超聲波發射；B.系統接收每次發射後的超聲回波；還包括如下步驟，用以完成系統對接收超聲回波的處理C.對回波信號進行波束合成處理，以提高信噪比；D.對經所述波束合成處理的回波信號進行動態濾波處理、包絡檢測處理和多焦點拼接處理，以得到各掃描線完整的回波信號或數據；其特徵在於所述步驟B中，系統接收每次發射後的超聲回波時，是根據不同的發射焦點，而採用不同的脈衝重複周期進行接收。
上述方案中，步驟D中所述回波信號先經過多焦點拼接處理，再依次經過動態濾波處理和包絡檢測處理。
上述方案中，步驟D中所述回波信號先經過動態濾波處理，再依次經過多焦點拼接處理和包絡檢測處理。
採用上述技術方案，可以使圖像幀率下降減少，同時保證多焦點拼接後的圖像效果不變，並且系統具有較低的實現成本。
圖1是多焦點拼接超聲系統示意框圖之一圖2是多焦點拼接超聲系統示意框圖之二圖3是多焦點拼接後的超聲圖像示意4是傳統多焦點拼接超聲系統的發射示意5是本發明多焦點拼接超聲系統的發射示意圖具體實施方式
下面，結合附圖所示之最佳實施例進一步闡述本發明。
本發明方法不僅適用於圖1所示的超聲成像系統，還可以適用於其它採用拼接多發射焦點回波信號來獲得掃描圖像的超聲成像系統。包括如圖2所示的又一系統框圖，該系統與圖1中不同的是，所述多焦點拼接模塊的位置在所述包絡檢測模塊之前。此外，所述超聲成像系統可以是單波束髮射的超聲成像系統，也可以是多波束髮射、能同時獲得多條對應不同波束掃描線的超聲成像系統。
在所述採用拼接多發射焦點回波信號來獲得掃描圖像的超聲成像系統中，本發明方法包括反覆切換執行的步驟A.系統對目標進行掃描，在每一掃描位置進行多次不同發射焦點的超聲波發射；B.系統接收每次發射後的超聲回波；還包括如下步驟，用以完成系統對接收超聲回波的處理
C.對回波信號進行波束合成處理，以提高信噪比；D.對經所述波束合成處理的回波信號進行動態濾波處理、包絡檢測處理和多焦點拼接處理，以得到各掃描線完整的回波信號或數據；其中，步驟D中所述多焦點拼接處理是將每一掃描位置多次發射後接收處理的回波信號拼接成完整掃描線對應的回波信號。該對回波信號的多焦點拼接處理可以如圖2在波束合成處理之後進行，也可以在動態濾波處理之後進行；或可以如圖1在包絡檢測處理之後進行。因其拼接處理方法不是本發明解決問題的關鍵，同時本發明方法不受具體拼接處理的限制，故不在此贅述。
圖4給出了傳統多焦點拼接超聲系統的發射示意圖。以(但不限於)三個發射焦點為例，設第一次發射的焦點位置離探頭最近，第二次的在中間，最後一次的離探頭最遠。若系統發射的次序依次是掃描線K的第一個焦點，掃描線K的第二個焦點，掃描線K的第三個焦點，掃描線K+1的第一個焦點；且每兩次發射之間的脈衝重複周期相同，設為T；則多焦點拼接形成一條接收掃描線所需要的時間是3T。因此，超聲系統成像幀率將下降到非多焦點拼接時的1/3。
如圖3所示，對於拼接後介於區域1和2交叉的區域部分的回波信號，一般是對這兩部分原接收信號採用加權處理來合成的，而超過該交叉區域部分的原接收回波信號對該部分的合成信號是不作貢獻的，也就是說，第一發射焦點的回波，超過交叉區域12後時間接收到的回波並不影響拼接後的回波，對成像沒有影響。因此，在接收第一發射焦點的回波時，僅需接收包括交叉區域以內的相應回波。同樣，對第二發射焦點的回波可以依次類推。
為此，本發明超聲系統採用的發射模式可以如圖5所示，使所述步驟B中，系統接收每次發射後的超聲回波時，是根據不同的發射焦點，而採用不同的脈衝重複周期進行接收。設傳統超聲系統發射掃描時的脈衝重複周期是T。在採用多焦點拼接時，設掃描線K的第一焦點對應的脈衝重複周期為T1，第二焦點對應的脈衝重複周期為T2，第三焦點對應的脈衝重複周期為T3，則因對應各發射焦點，沒有必要接收所有的回波信號。所述脈衝重複周期可以隨所述發射焦點與超聲換能器之間的距離而變化；距離越小則該脈衝重複周期越短。因此T1＜T2＜T3，而T3＝T，所以形成一條接收掃描線所需要的時間是T1+T2+T3，小於原來所需要的3T。從而，可以緩解多焦點拼接造成的成像幀率下降問題。
本發明方法經過試驗驗證，不需要改變超聲成像系統的硬體，僅僅調整超聲成像的控制，就能改善多焦點拼接時的圖像成像幀率，而且圖像質量保持不變。
權利要求
1.一種多發射焦點拼接中提高圖像幀率的方法，用於採用拼接多發射焦點回波信號來獲得掃描圖像的超聲成像系統，包括反覆切換執行的步驟A.系統對目標進行掃描，在每一掃描位置進行多次不同發射焦點的超聲波發射；B.系統接收每次發射後的超聲回波；還包括如下步驟，用以完成系統對接收超聲回波的處理C.對回波信號進行波束合成處理，以提高信噪比；D.對經所述波束合成處理的回波信號進行動態濾波處理、包絡檢測處理和多焦點拼接處理，以得到各掃描線完整的回波信號或數據；其特徵在於所述步驟B中，系統接收每次發射後的超聲回波時，是根據不同的發射焦點，而採用不同的脈衝重複周期進行接收。
2.根據權利要求1所述多發射焦點拼接中提高圖像幀率的方法，其特徵在於所述脈衝重複周期隨所述發射焦點與超聲換能器之間的距離而變化；距離越小則該脈衝重複周期越短。
3.根據權利要求1所述多發射焦點拼接中提高圖像幀率的方法，其特徵在於步驟D中所述回波信號先經過多焦點拼接處理，再依次經過動態濾波處理和包絡檢測處理。
4.根據權利要求1所述多發射焦點拼接中提高圖像幀率的方法，其特徵在於步驟D中所述回波信號先經過動態濾波處理，再依次經過多焦點拼接處理和包絡檢測處理。
5.根據權利要求1所述多發射焦點拼接中提高圖像幀率的方法，其特徵在於步驟D中所述回波信號依次經過動態濾波處理、包絡檢測處理和多焦點拼接處理。
全文摘要
一種多發射焦點拼接中提高圖像幀率的方法，用於採用拼接多發射焦點回波信號來獲得掃描圖像的超聲成像系統，包括反覆切換執行的步驟系統對目標進行掃描，在每一掃描位置進行多次不同發射焦點的超聲波發射；以及系統接收每次發射後的超聲回波；還包括用以完成系統對接收超聲回波處理的步驟對回波信號進行波束合成處理，以提高信噪比；對經所述波束合成處理的回波信號進行多焦點拼接處理，以得到各掃描線完整的回波信號或數據；尤其是，所述系統接收每次發射後的超聲回波步驟中，系統是根據不同的發射焦點，而採用不同的脈衝重複周期進行接收。採用本發明方法的系統，拼接圖像過程中幀率可以不至於下降過快；並具有較低的實現成本。
文檔編號A61B8/13GK1915176SQ20051003679
公開日2007年2月21日 申請日期2005年8月19日 優先權日2005年8月19日
發明者李勇 申請人:深圳邁瑞生物醫療電子股份有限公司