CN115917359A - 用于超声成像中的栅瓣减少的系统和方法 - Google Patents

Abstract

在一些示例中，可以选择性地对来自某些多线的所接收的信号进行滤波，以去除可能导致超声图像中的栅瓣的混叠频率。在一些示例中，可以对发射波束进行成形以减小所接收的信号中的空间频率。在一些示例中，可以基于发射信号的频率来调节发射波束的宽度。在一些示例中，可以基于发射信号的频率来调节发射波束的焦深。

Description

用于超声成像中的栅瓣减少的系统和方法

技术领域

本申请涉及减少超声成像中的栅瓣伪影。更具体地，本申请涉及用于减少超声成像中的栅瓣伪影的多线滤波和发射波束成形。

背景技术

栅瓣是由于换能器阵列对空间频率的欠采样(这导致欠采样频率的混叠)的超声成像中的伪影。最小阵列间隔(例如，两个元件之间的距离)(也称为间距)应当等于或小于λ/2，其中，λ是超声信号的波长。在来自不满足该阵列间隔准则的阵列的图像中，可以观察到栅瓣，例如，当波束被转向超过某个角度时。

已经提出了用于超声图像中的栅瓣减少的若干方法。基于来自相邻换能器元件的信号的互相关的方法试图检测大于波长一半的信号的相移并校正这些相移。然而，当栅瓣信号和组织信号同时存在时，这些方法在计算上是昂贵的并且不太有效。基于跨孔径的超声信号的相位相干性的方法在减少其相位不相干的信号(诸如旁瓣)和其相位跨超声的宽带频率不完全相干的信号(诸如栅瓣)的贡献方面是有效的。然而，这些方法需要调谐参数并且可能过于激进，这引起组织信号的损失。因此，期望改进的栅瓣减少方法。

发明内容

本文公开了通过仅对栅瓣主导的多线和/或转向角进行滤波来减少栅瓣的技术。示例可以利用特定频率的奈奎斯特转向角，并且确定奈奎斯特转向角极限内的空间频率/多线。在一些示例中，在更低的时间频率下，可以使用更多的多线，但是在更高的频率下，要使用的多线的数量减少，这可以减少栅瓣的产生。

在一些示例中，发射波束的形状可以通过具有频率依赖的孔径来调节。例如，波束对于高频可以是窄的，并且对于低频可以是宽的，以减少栅瓣。在一些示例中，可以基于频率来调节发射波束的焦深。

根据本公开的示例，一种超声成像系统可以包括换能器阵列和处理器，所述换能器阵列被配置用于发射超声信号，接收响应于所述超声信号的回波，并且提供与针对多个多线的所述回波相对应的接收信号，所述处理器被配置为确定针对所述换能器阵列的最大转向角，其中，所述最大转向角至少部分地基于所述换能器阵列的间距和所述超声信号的频率；确定针对所述多个多线中的个体多线的转向角，其中，所述转向角至少部分地基于所述换能器阵列的间距；并且在将所述接收信号处理成超声图像数据之前对与所述多个多线中的具有比所述最大转向角更大的转向角的一个或多个多线相对应的所述接收信号进行滤波。

根据本公开的示例，一种方法可以包括：利用换能器阵列发射超声信号，在所述换能器阵列处接收响应于所述超声信号的回波，利用所述换能器阵列生成针对多个多线的接收信号，至少部分地基于所述超声信号的频率和所述换能器阵列的间距来确定最大转向角，确定针对所述多个多线中的个体多线的转向角，并且在将所述接收信号处理成超声图像数据之前对与所述多个多线中的具有比所述最大转向角更大的转向角的一个或多个多线相对应的所述接收信号进行滤波。

根据本公开的示例，一种超声成像系统可以包括换能器阵列和控制器，所述换能器阵列被配置用于发射包括超声信号的发射波束，接收响应于所述超声信号的回波，并且提供与针对多个多线的所述回波相对应的接收信号，所述控制器被配置为向所述换能器阵列提供控制信号以使得所述换能器阵列发射所述超声信号，使得基于所述超声信号的频率来调节所述发射波束的宽度，其中所述发射波束的所述宽度对于低频更宽并且对于高频更窄。

附图说明

图1是根据本公开的示例布置的超声成像系统的框图。

图2是图示根据本公开的示例的示例处理器的框图。

图3是根据本公开的原理的模拟1D换能器阵列的时间频率与转向角的示例绘图。

图4示出了根据本公开的示例的频率与由滤波器滤波的多线的数量的多个绘图。

图5示出了来自根据本公开的示例滤波的发散波模拟的图像。

图6示出了根据本公开的示例滤波的心脏体模的图像。

图7A和7B图示了根据本公开的示例成形的发射波束。

图8A和8B图示了根据本公开的示例的用于调节发射波束的宽度的发射波形。

图9示出了多线波束扇的示例绘图。

具体实施方式

某些示例性示例的以下描述本质上仅仅是示例性的，而绝不旨在限制本公开或其应用或用途。在对本系统和方法的示例的以下详细描述中，参考形成其一部分的附图，并且在附图中通过图示的方式示出了可以实践所描述的装置、系统和方法的特定示例。这些示例被足够详细描述，以使本领域技术人员能够实践当前公开的装置、系统和方法，并且应理解，可以利用其他示例，并且可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下进行结构和逻辑上的改变。此外，出于清楚的目的，当其对于本领域技术人员而言将显而易见时，某些特征的详细描述将不被讨论，以便不模糊本公开的描述。因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义，并且本装置、系统和方法的范围仅由所附权利要求定义。

在超声成像中，换能器阵列的元件用于将一个或多个超声信号发射到对象中。所发射的超声信号的轨迹可以被称为“发射线”。换能器阵列的一些或全部元件可以用于每个发射事件。响应于所发射的超声信号的回波可以由换能器阵列从沿着一个或多个轨迹的一个或多个点接收，所述一个或多个轨迹可以被称为“接收线”。换能器阵列的一些或全部元件可以用于每个接收事件。从回波生成的信号可以经历波束形成和/或其他处理，以确定信号对应于的(一个或多个)接收线并构建对象的超声图像。在一些情况下，发射线和接收线的轨迹可以是相同的。在一些应用中，可以为每个发射线和/或发射事件生成单个接收线以形成超声图像。

在一些应用中，可以针对每个发射线和/或发射事件的多个接收线处理信号以形成超声图像，这可以被称为多线波束形成。对于给定的线密度，多线波束形成的潜在优点是更高的帧速率。通过为每个发射线和/或发射事件重建多个同时的接收线，可以可能获得与所生成的多个接收线相当的帧速率。另一潜在优点可以是改进的图像质量。通过从多个发射重建相同的接收线并对它们进行平均，可以获得具有更高信噪比和/或更大空间频率的接收线。当使用多线波束形成时，接收线可以被称为“多线”。

一些超声探头包括为二维(2D)阵列的换能器阵列。也就是说，换能器阵列包括二维(例如，x-y)中的多个换能器元件。尽管换能器元件可以以各种形状布置，但最常见的是正方形、矩形和圆形布置。与1D阵列相比，2D阵列可以允许更复杂的波束转向和/或改进的分辨率。然而，随着阵列中的换能器元件的数量增加，将探头中的每个换能器元件连接到超声成像系统的导线的数量增加。随着导线的数量增加，将探头连接到超声成像系统的线缆对于实际使用可能变得太大且笨重。为了减少探头与超声成像系统之间的导线的数量，一些换能器阵列被组织成换能器元件的组，被称为被包括在更大阵列中的片块或子阵列。可以选择性地激活换能器元件的片块而不是个体换能器元件，以用于发射超声信号和/或接收回波。包括被分组成片块的换能器阵列的一些超声探头可以包括微波束形成器，以对针对片块的信号执行初始波束形成(例如，延迟求和波束形成)。例如，每个微波束形成器可以将预定义的聚焦和转向延迟应用于针对五个换能器元件的片块的信号。因此，代替于五个导线，仅需要一个导线来传输来自该组五个换能器元件的组合信号(例如，半波束形成信号)。

微波束形成器与聚焦的发射波束一起工作良好，因为微波束形成器可以被预编程为将来自片块的信号聚焦和转向到聚焦的发射波束的主轴。然而，当发散波和/或平面波发射用于声穿透感兴趣区域时，例如，对于快速成像序列，形成多个波束以覆盖更大的角跨度。微波束形成器可以用于使来自片块的信号转向以形成这些多个波束，但是片块之间的间隔对于使波束转向远离原始预编程角度可能不是最佳的。也就是说，尽管个体换能器元件可以满足λ/2间距要求，但是因为被组织成片块的换能器元件不能被个体地控制，所以间距可以有效地是片块之间的间隔，而不是个体换能器元件之间的间隔。因此，片块的间距可能不满足λ/2要求，这继而可能引起所得到的图像中的栅瓣伪影。

根据本公开的示例，可以使用仅对栅瓣主导的多线和/或转向角进行滤波的滤波技术。如本文中还将解释的，λ/2间距要求是频率依赖的。如果可以假设窄带信号模型，则在给定欠采样换能器阵列的情况下，可以预测所得到的栅瓣的位置。因此，如果主瓣和栅瓣位置是已知的，则可以预测所得到的栅瓣信号的频率。因此，对于给定的转向角，可以预测栅瓣信号将泄漏到其中的频带。然后可以滤除该频带。尽管参考利用微波束形成器的超声探头讨论了本公开的示例，但是本文公开的技术可以应用于遭受欠采样的任何换能器阵列。此外，尽管本文公开的示例中的一些涉及发散波和平面波，但是本文公开的技术不限于特定的发射波体系。

根据本公开的示例，通过改变所发射的超声波束的形状来减少或消除栅瓣，可以减少或避免由于欠采样造成的混叠。在一些示例中，可以使用基于发射波形的频率来改变发射孔径的发射波束成形技术。在一些示例中，可以使用基于发射波形的焦深来改变发射波形的频率的发射波束成形技术。

图1示出了根据本公开的示例构建的超声成像系统100的框图。根据本公开的超声成像系统100可以包括换能器阵列114，换能器阵列114可以被包括在超声探头112中，例如外部探头或内部探头，例如血管内超声(IVUS)导管探头。在其他示例中，换能器阵列114可以是柔性阵列的形式，所述柔性阵列被配置为共形地应用于要成像的对象(例如，患者)的表面。换能器阵列114被配置为发射超声信号(例如，波束、波)并且响应于发射的超声信号接收回波(例如，接收的超声信号)。可以使用多种换能器阵列，例如线性阵列、弯曲阵列或相控阵列。换能器阵列114例如可以包括能够在仰角和方位角维度两者上扫描以用于2D和/或3D成像的换能器元件的二维阵列(如图所示)。众所周知，轴向是垂直于阵列面的方向(在弯曲阵列的情况下，轴向扇出)，方位角方向通常由阵列的纵向尺寸定义，而仰角方向横向于方位角方向。

在一些示例中，换能器阵列114可以被耦合到微波束形成器116，其可以位于超声探头112中，并且其可以控制阵列114中的换能器元件对信号的发射和接收。在一些示例中，微波束形成器116可以通过阵列114中的有源元件(例如，在任何给定时间限定活动孔径的阵列元件的活动子集)来控制信号的发射和接收。

在一些示例中，微波束形成器116可以例如通过探头线缆或无线地耦合到发射/接收(T/R)开关118，其在发射与接收之间切换并且保护主波束形成器122免受高能发射信号的影响。在一些示例中，例如在便携式超声系统中，T/R开关118和系统中的其他元件可以包括在超声探头112中而不是超声系统底座中，超声系统底座可以容纳图像处理电子设备。超声系统底座通常包括软件和硬件部件，包括用于信号处理和图像数据生成的电路以及用于提供用户接口的可执行指令。

在一些示例中，在微波束形成器116的控制下，来自换能器阵列114的超声信号的发射由发射控制器120引导，发射控制器120可以被耦合到T/R开关118和主波束形成器122。发射控制器120可以控制波束被转向的方向(例如，通过向微波束形成器116、换能器阵列114和/或换能器阵列114的个体元件提供控制信号)。波束可以被转向为从换能器阵列114径直向前(垂直于换能器阵列114)，或处于不同的角度以用于更宽的视场。

根据本公开的示例，发射控制器120可以控制发射波束的形状以减少或消除栅瓣伪影。如将参考图7和8更详细地描述的，在一些示例中，发射控制器120可以基于发射波束的所发射的超声信号的一个或多个频率来调节发射波束的孔径。例如，更宽的波束可以用于发射波束的低频，而更窄的波束可以用于发射波束的高频。在其他示例中，可以基于发射波束的所发射的超声信号的频率来调节发射波束的焦深。例如，更浅的焦深可以用于更低的频率，而更深的焦深可以用于更高的频率。

在一些示例中，发射控制器120还可以被耦合到用户接口124并且根据用户对用户输入设备(例如，用户控件)的操作来接收输入。用户接口124可以包括一个或多个输入设备，例如控制面板152，控制面板152可以包括一个或多个机械控件(例如，按钮、滑块等)、触敏控件(例如，触控板、触摸屏等)和/或其他已知的输入设备。

在一些示例中，由微波束形成器116产生的部分波束形成信号可以被耦合到主波束形成器122，其中，来自换能器元件的个体片块的部分波束形成信号可以被组合为完全波束形成信号。在一些示例中，微波束形成器116被省略。在这些示例中，换能器阵列114在主波束形成器122的控制之下并且主波束形成器122执行信号的所有波束形成。在具有和不具有微波束形成器116的示例中，主波束形成器122的波束形成信号被耦合到处理电路150，其可以包括一个或多个处理器(例如，信号处理器126、B模式处理器128、多普勒处理器160和一个或多个图像生成和处理部件168)，其被配置为根据波束形成信号(即，波束形成的RF数据)来产生超声图像。

根据本公开的示例，信号处理器126可以被配置为对对应栅瓣伪影的信号进行滤波，以减少或消除由于所接收的超声信号(例如，回波)的欠采样/混叠造成的栅瓣伪影。在一些示例中，信号处理器126可以选择性地对来自一个或多个多线和/或来自特定转向角的信号进行滤波。如所描述的，参考图3和4，混叠频率可以与特定的多线和/或转向角相关联。因为转向角由发射控制器120控制，所以转向角可以是已知的。基于发射波束的转向角，信号处理器126可以确定栅瓣伪影的位置。信号处理器126可以使用栅瓣伪影的位置来选择要从波束形成信号滤波或以其他方式移除的多线。

尽管未在图1中示出，但是在一些示例中，可以在主波束形成器122之前包括可以在任何合适的处理器中实施的额外滤波器。在这些示例中，该额外滤波器可以在信道被组合成多线之前选择性地对由微波束形成器116提供的信号的一个或多个信道进行滤波，以减少或基本上去除可能与那些信道相关联的栅瓣伪影。用于对栅瓣进行滤波(不论是在信号处理器126级处还是更早在信号路径中，诸如通过在主波束形成器之前的额外滤波器)的基本原理保持与在整个本公开中描述的相同。

信号处理器126还可以被配置为以各种方式处理接收的波束形成RF数据，例如带通滤波、抽取、I和Q分量分离、以及谐波信号分离。处理器126还可以执行额外的信号增强，例如纹波降低、信号复合、以及电子噪声消除。经处理的信号(也称为I和Q分量或IQ信号)可以被耦合到额外的下游信号处理电路以用于图像生成。IQ信号可以被耦合到系统内的多个信号路径，信号路径中的每个可以与适合于生成不同类型的图像数据(例如，B模式图像数据、多普勒图像数据)的信号处理部件的特定布置相关联。例如，所述系统可以包括B模式信号路径158，其将来自信号处理器126的信号耦合到B模式处理器128以产生B模式图像数据。

B模式处理器128可以采用幅度检测来对身体中的结构进行成像。B模式处理器128可以生成针对组织图像和/或造影图像的信号。由B模式处理器128产生的信号可以被耦合到扫描转换器130和/或多平面重新格式化器132。扫描转换器130可以被配置为以期望的图像格式来根据回波信号被接收的空间关系来布置回波信号。例如，扫描转换器130可以将回波信号布置为二维扇区形格式、或锥体或其他形状的三维(3D)格式。

在一些示例中，系统可以包括将来自信号处理器126的输出耦合到多普勒处理器160的多普勒信号路径162。多普勒处理器160可以被配置为估计多普勒频移并生成多普勒图像数据。多普勒图像数据可以包括颜色数据，然后将其与B模式(即灰度)图像数据叠加以供显示。多普勒处理器160可以被配置为例如使用壁滤波器来过滤掉不需要的信号(即，与非移动组织相关联的噪声或杂波)。多普勒处理器160还可以被配置为根据已知技术来估计速度和功率。例如，多普勒处理器可以包括诸如自相关器的多普勒估计器，其中速度(多普勒频率)估计基于滞后一自相关函数的参数(例如，R1)而多普勒功率估计是基于滞后零自相关函数的的幅度(例如，R0)。速度估计可以称为彩色多普勒数据，并且功率估计可以称为功率多普勒数据。还可以通过已知的相位域(例如，参数频率估计器，例如MUSIC、ESPRIT等)或时域(例如，互相关)信号处理技术来估计运动。可以使用与速度的时间或空间分布相关的其他估计器，例如加速度或时间和/或空间速度导数的估计器来代替速度估计器或作为速度估计器的补充。在一些示例中，速度和功率估计(例如，彩色和功率多普勒数据)可以经历进一步的阈值检测以进一步降低噪声，以及分割和后处理，诸如填充和平滑。然后可以根据一个或多个颜色和/或强度图将速度和/或功率估计映射到显示颜色和/或强度的期望范围。图数据，也称为多普勒图像数据，然后可以被耦合到扫描转换器130，其中，多普勒图像数据可以被转换为期望的图像格式以形成彩色多普勒或功率多普勒图像。

多平面重新格式化器132可以将从身体的体积区域中的公共平面(例如，切片)中的点接收的回波转换成该平面的超声图像(例如，B模式图像)，例如，如在美国专利US6443896(Detmer)中所描述的那样。在一些示例中，用户接口124可以被耦合到多平面重新格式化器132以用于选择和控制多个多平面重新格式化(MPR)图像的显示。在一些示例中，可以将多平面重新格式化器132的平面数据提供给体积绘制器134。体积绘制器134可以生成(也被称为绘制)如从给定参考点观察到的3D数据集的图像(也被称为投影、绘制或3D场景)，例如，如在美国专利US 6530885(Entrekin等人)中所描述的那样。

来自扫描转换器130(例如，B模式图像、多普勒图像)、多平面重新格式化器132和/或体积绘制器134(例如，体积、3D场景)的输出可以被耦合到图像处理器136以在被显示在图像显示器138上之前进一步增强、缓冲和临时存储。在一些示例中，多普勒图像可以由扫描转换器130和/或图像处理器136叠加在组织结构的B模式图像上以供显示。

图形处理器140可以生成图形叠加以用于与图像一起显示。这些图形叠加可以例如包括标准识别信息，例如患者姓名、图像的日期和时间、成像参数等等。出于这些目的，图形处理器140可以被配置为从用户接口124接收输入，例如键入的患者姓名或其他注释。

系统100可以包括本地存储器142。本地存储器142可以被实施为任何合适的非瞬态计算机可读介质(例如，闪存驱动器、磁盘驱动器)。本地存储器142可以存储由系统100生成的数据，包括图像、3D模型、可执行指令、由用户经由用户接口124提供的输入、或系统100的操作所需的任何其他信息。

如前所述，系统100包括用户接口124。用户接口124可以包括显示器138和控制面板152。显示器138可以包括使用诸如LCD、LED、OLED或等离子显示技术的各种已知的显示技术实施的显示设备。在一些示例中，显示器138可以包括多个显示器。控制面板152可以被配置为接收用户输入(例如，转向角、滤波器积极性等)。控制面板152可以包括一个或多个硬控件(例如，按钮、旋钮、刻度盘、编码器、鼠标、轨迹球或其他)。在一些示例中，控制面板152可以额外地或替代地包括在触敏显示器上提供的软控件(例如，GUI控制元素或简称为GUI控件)。在一些示例中，显示器138可以是包括控制面板152的一个或多个软控件的触敏显示器。

在一些示例中，图1中所示的各种部件都可以组合。例如，图像处理器136和图形处理器140可以实施为单个处理器。在另一示例中，多普勒处理器160和B模式处理器128可以实施为单个处理器。在一些示例中，图1中所示的各种部件可以实施为单独的部件。例如，信号处理器126可以被实施为针对每个成像模式(例如，B模式、多普勒)的单独的信号处理器。在一些示例中，图3中所示的各种处理器中的一个或多个可以由被配置为执行指定任务的通用处理器和/或微处理器来实施。在一些示例中，各种处理器中的一个或多个可以实施为专用集成电路。在一些示例中，各种处理器中的一个或多个(例如，图像处理器136)可以用一个或多个图形处理单元(GPU)来实施。

图2是图示根据本公开的示例的示例处理器200的框图。处理器200可以用于实施本文中所描述的处理器中的一个或多个，例如图1中所示的图像处理器136和/或信号处理器126。处理器200可以是任何合适的处理器类型，包括但不限于微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程阵列(FPGA)(其中FPGA已被编程以形成处理器)、图形处理单元(GPU)、专用集成电路(ASIC)(其中ASIC被设计为形成处理器)、或其组合。

处理器200可以包括一个或多个核202。核202可以包括一个或多个算术逻辑单元(ALU)204。在一些示例中，除了ALU204之外或代替于ALU204，核202可以包括浮点逻辑单元(FPLU)206和/或数字信号处理单元(DSPU)208。

处理器200可以包括通信地耦合到核202的一个或多个寄存器212。可以使用专用逻辑门电路(例如，触发器)和/或任何存储器技术来实施寄存器212。在一些示例中，寄存器212可以使用静态存储器来实施。寄存器可以向核202提供数据、指令和地址。

在一些示例中，处理器200可以包括通信地耦合到核202的一个或多个级别的高速缓存存储器210。高速缓存存储器210可以向核202提供计算机可读指令以供执行。高速缓存存储器210可以提供数据以供核202处理。在一些示例中，计算机可读指令可能已经由本地存储器(例如，附接到外部总线216的本地存储器)提供给高速缓存存储器210。高速缓存存储器210可以用任何合适的高速缓存存储器类型来实施，例如金属氧化物半导体(MOS)存储器，诸如静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)和/或任何其他合适的存储器技术。

处理器200可以包括控制器214，其可以控制从系统中包括的其他处理器和/或部件(例如，图1中所示的控制面板152和扫描转换器130)到处理器200的输入和/或从处理器200到系统中包括的其他处理器和/或部件(例如，图1中所示的显示器138和体积绘制器134)的输出。控制器214可以控制ALU 204、FPLU 206和/或DSPU 208中的数据路径。控制器214可以实施为一个或多个状态机、数据路径和/或专用控制逻辑。控制器214的门可以实施为独立门、FPGA、ASIC或任何其他合适的技术。

寄存器212和高速缓存存储器210可以经由内部连接220A、220B、220C和220D与控制器214和核202通信。内部连接可以实施为总线、多路复用器、纵横开关和/或任何其他合适的连接技术。

处理器200的输入和输出可以经由总线216提供，所述总线可以包括一个或多个导线。总线216可以通信地耦合到处理器200的一个或多个部件，例如控制器214、高速缓存存储器210和/或寄存器212。总线216可以耦合到系统的一个或多个部件，例如前面提到的显示器138和控制面板152。

总线216可以被耦合到一个或多个外部存储器。外部存储器可以包括只读存储器(ROM)232。ROM232可以是掩码ROM、电可编程只读存储器(EPROM)或任何其他合适的技术。外部存储器可以包括随机存取存储器(RAM)233。RAM233可以是静态RAM、电池备份的静态RAM、动态RAM(DRAM)或任何其他合适的技术。外部存储器可以包括电可擦可编程只读存储器(EEPROM)235。外部存储器可以包括闪存234。外部存储器可以包括磁存储设备，例如磁盘236。在一些示例中，外部存储器可以包括在系统中，例如图1中所示的超声成像系统100，例如本地存储器142。

根据本公开的示例，时间频域和空间频域之间的关系以及波束转向的原理可以用于通过选择性地对来自响应于发射波束的所接收的回波的信号进行滤波来减少栅瓣伪影。对于波束转向，两个相继换能器元件(例如，换能器阵列114中的两个相邻换能器元件)之间的时间延迟Δt可以被给出为：

其中，θ是转向角，d是元件间隔，并且c是组织中的声速。对于具有ω的时间角中心频率的窄带波，该表达式可以以相位项提供：

Δφ＝kdsin(θ)   等式2

其中，Δφ＝ωΔt，并且是波数(空间频率，k＝2π/λ，λ是相关联的空间波长)，其类似于时间角频率ω。奈奎斯特-香农采样定理规定采样频率应当是信号中的最高频率的至少两倍，以避免混叠。对于空间坐标和波数k，这意味着最大值Δφ可以具有π以用于信号的适当采样。因此，波束的转向角的奈奎斯特极限θ_Nyq可以被提供为：

θ_Nyq＝sin^-1(λ/2d)   等式3

换句话说，对于具有λ/2的间距的换能器元件，转向超过θ_Nyq的波束(例如，具有大于奈奎斯特极限的转向角的波束)可能使得信号被欠采样，从而引起混叠和得到的栅瓣伪影。尽管参考个体换能器元件描述了等式1-3，但是当使用微波束形成器时，可以使用换能器元件的片块的间距。用其对应的时间频率ω和针对组织中的声速c的1540m/s来代替空间波长项λ，可以针对感兴趣频率范围绘制θ_Nyq。感兴趣频率范围可以是换能器阵列能够产生的发射频率范围或用于特定类型的成像的发射频率范围。

图3是根据本公开的原理的模拟1D换能器阵列的时间频率与转向角的示例绘图。在该特定示例中，1D换能器阵列包括跨横向维度的16个5元件微波束形成器。多线设置基于10个发射发散波序列以覆盖～90°的扇区，并且所得到的多线的接收线间隔为0.0176742rad。在绘图300中，曲线302、304是在1-5MHz频率范围内的θ_Nyq的绘图。竖直线306指示波束的零度转向。在一些应用中，竖直线306可以对应于在1D阵列的换能器元件(或片块)正前方的多线，其在垂直于1D阵列的面的方向上(例如，零度转向)在换能器元件(或片块)正前方发射超声信号。竖直线308、310指示十六个多线在何处延伸。这些额外的多线可以对应于从发射超声信号的换能器元件(或片块)偏移和/或相对于所发射的波束成一角度(例如，转向角)的多线。类似地，竖直线312、314指示32个多线的范围。

如通过竖直线312、314分别与曲线302、304相交的位置所示，对于2.1MHz以上的频率，32个多线情况开始落在奈奎斯特极限之外并进入混叠状态(例如，距中心最远的多线可以位于大约0.28弧度处，如通过竖直线312和314所指示的)。在这些频率下，阵列变得欠采样，并且使波束进一步转向将使图像质量劣化。类似地，4.3MHz是16个多线情况的最远线的奈奎斯特极限，其中，距中心最远的多线可以在大约0.14弧度处，如通过竖直线308和310所指示的。

在根据本公开的实施例中，低通滤波器可以用于转向超过目标转向角(例如奈奎斯特极限转向角)的波束。来自这些波束的接收信号的高频带包含来自不同空间位置的混叠信息。如本文所述，时间频率和空间频率之间的关系可以用于生成为角度依赖和/或多线依赖的滤波器。换句话说，栅瓣远离的更低时间频率(例如，2MHz)，包括图3的模拟探头的超声系统可以使用多达32个多线来充分利用多线波束形成的各种方法(诸如回溯性发射波束复合(XBR))以沿着发射线生成超声图像，而对于更高时间频率(例如，4MHz)，可以仅使用16个多线来避免栅瓣。多线的数量可以在多线的最大数量和最小数量(例如，分别为32和1或分别为32和16)之间逐渐改变。多线的数量可以在多线的最大和最小数量(例如，分别为32和1，或分别为32和16)之间逐渐改变。在一些应用中，这可以在每个频率下提供XBR增益和栅瓣拒绝之间的可接受权衡。在一些示例中，(例如，通过信号处理器126的)信号处理的正交带通滤波器(QBP)级处的频率依赖的XBR权重可以拒绝不使用的多线或不使用的多线的更高频带。

图4示出了根据本公开的示例的频率与由滤波器滤波的多线的数量的多个绘图。在图4中，y轴是频率轴(MHz)，并且x轴是示例1D换能器阵列的多线(多线的数量)。对于每个换能器元件，多线可以形成源于换能器元件处的“扇”。在图9中示出了多线波束扇902的示例绘图900。多线波束扇902从换能器阵列904的换能器元件906发射。在一些示例中，换能器阵列904可以被包括在换能器阵列112中。如图9所示，多线0 908可以是在多线波束扇的远边缘处接收的线，并且多线31 910可以是在多线波束扇902的相对边缘处接收的线，而多线15-16 912、914可以在多线波束扇902的中心附近。因此，多线15-16 912、914可以具有参考换能器元件906的接近或等于零的转向角，而多线0和31 908、910可以具有参考换能器元件906的最大转向角。在该示例中，提供多线的数量仅用于说明，并且在其他示例中，可以使用不同数量的多线。

返回到图4，绘图(a)图示了不应用抗混叠(例如，低通)滤波器并且允许所有多线的所有频率经过信号处理器(例如，信号处理器126)的情况。然而，对于其标称频率在换能器阵列的中心频率处的波束，多线波束扇的边缘处的多线可以具有高于奈奎斯特极限θ_Nyq的角度。因此，阵列域(例如，空间域)中的更高频率可能被欠采样，从而导致栅瓣。在绘图(b)-(f)中，应用低通滤波器来对来自多线一些的信号进行滤波，这可以减少栅瓣。通带402(亮区域)和阻带404(暗区域)可以特定于每个多线。在一些示例中，通带402基于多线的转向角，该转向角可以至少部分地基于换能器元件和/或换能器元件的片块之间的间隔以及超声信号的频率，如参考等式1-3所讨论的。也就是说，对于给定频率，可以对具有高于奈奎斯特极限的转向角的多线进行滤波。在一些实例中，滤波可以基于转向角而特定于多线，并且可以不干扰多线的任何进一步处理。

尽管奈奎斯特采样频率是所需的理论最小采样频率，但是实际上使用高于奈奎斯特频率两倍的采样频率。在栅瓣滤波的情况下，这转化为具有更低截止频率的更积极滤波器，从而减小通带402。在一些示例中，不是定义新的下限截止频率，而是可以定义目标转向角θ_Max，其可以是θ_Nyq的分数。基于分数r来计算经调节的滤波器截止(例如，阻带404)，使得θ_Max＝rθ_Nyq。每个图(b)-(f)上方的数字是不同的r值。r值指示要使用理想通带402的什么部分(例如，如至少部分地基于等式3所计算的)。因此，r可以具有在0和1之间并且包括0和1的任何值。例如，在绘图)(b)中，r＝1，因此可以使用整个理想通带402。理想通带402可以指示包括高达理论奈奎斯特极限的非混叠频率的多线。然而，如所指出的，实际上，可能期望保持低于奈奎斯特极限频率并且对额外多线进行滤波以帮助确保避免混叠。绘图(c)-(f)示出了减小的r值，并且使用了通带402的对应的更小部分。随着r减小，滤波器变得更积极，并且对增加数量的多线进行滤波。在一些示例中，可以在超声系统中预设r值。在其他示例中，用户可以通过经由用户接口(例如，用户接口124)提供用户输入来指示r值。

在多线波束形成中，可以例如使用XBR框架来复合若干多线。可以将权重分配给每个多线，该权重确定特定多线对复合结果的影响。分配给每个多线以用于复合的权重可以是频率依赖的和/或转向角依赖的。在一些示例中，根据本公开的示例的由信号处理器(例如，信号处理器126)进行的滤波可以包括在复合之前将权重分配给多线。由信号处理器执行的其他处理步骤可以包括通过一个或多个QBP滤波器、包络和对数检测和/或频率复合来对多线进行滤波。在一些示例中，可以在栅瓣滤波之后执行这些处理步骤。

尽管图3-4出于解释的目的涉及模拟1D换能器阵列，但是本公开的原理不限于1D阵列，并且可以应用于2D换能器阵列。对于2D换能器阵列，如果x维度和y维度两者中的阵列的间距不相等，则可能需要针对等式1中的元件间隔d考虑x维度和y维度两者中的阵列的间距。在一些应用中，还可能需要考虑对角间隔的换能器元件和/或片块之间的间距。类似地，转向角θ_Nyq可能需要在二维中通常以极坐标进行计算。

返回到图1，同时仍然参考图3和4，信号处理器126可以从主波束形成器122接收多线信号。可以向信号处理器126提供换能器阵列114的间距。可以经由通过用户接口124的用户输入或通过由超声探头112提供的标识符信号来提供间距。可以通过控制面板152和/或发射控制器120向信号处理器126提供由换能器阵列114发射的超声信号的频率。至少部分地基于间距和发射频率，信号处理器126可以确定发射波束的最大转向角(例如，奈奎斯特极限)，高于该最大转向角将发生混叠/欠采样。还可以通过控制面板152和/或发射控制器120向信号处理器126提供由换能器阵列114发射的超声信号的转向角。信号处理器126可以基于转向角和所发射的超声信号的给定频率来确定哪个(哪些)多线(如果有的话)落在最大转向角以上。如本文所指出的，例如，参考图3，与多线相关联的转向角可以至少部分地基于换能器元件的间距和/或换能器元件的片块的间距(例如，当包括微波束形成器116时)。

对于被确定为在针对给定频率的最大转向角以上的多线，信号处理器126可以对那些多线的信号进行滤波。在一些示例中，对来自在最大转向角以上的多线的信号进行滤波可以包括针对给定频率减小来自多线的信号的功率，针对给定频率从多线移除信号而不进一步处理和/或不将信号传递到多普勒处理器160和/或B模式处理器128。在一些示例中，对来自在针对给定频率的最大转向角以上的多线的信号进行滤波可以包括将减小信号对多线信号的复合或多线信号的其他进一步处理的影响的权重(例如，0、0.1、0.2)应用于信号。

在一些示例中，信号处理器126还可以接收r值。在一些示例中，r值可以由从用户接口124接收的用户输入提供。在这些示例中，信号处理器126可以对转向角大于rθ_Nyq的多线进行滤波。

图5示出了来自根据本公开的示例滤波的发散波模拟的图像。通过模拟三个点目标和五个发散波发射来生成图像(a)至(j)。发散波的焦点设置为负50mm。并排示出了来自个体发散波的图像。顶行中的图像(a)至(e)是来自每个发散波发射的未滤波图像，并且底行中的图像(f)至(j)是根据本公开的示例滤波的对应滤波图像。对多线进行滤波减少或消除了远离发射轴的点的栅瓣伪影。底行中的所有图像示出与其顶行对应物相比更少的栅瓣。例如，图像(c)的区域502包含比图像(h)中的对应区域504更多的栅瓣。

图6示出了根据本公开的示例滤波的心脏体模的图像。图像(a)-(f)是预扫描转换图像。图像(a)-(f)的所有数据经历QBP滤波、包络和对数检测以及频率合成。根据本公开的示例，图像(b)-(f)的数据还经历栅瓣滤波。图像(b)-(f)之上的值指示用于减少或去除栅瓣伪影的滤波器的r值，其中，图像(b)经历最不积极的滤波，并且图像(f)经历最积极的滤波。

与图像(a)和(b)相比，具有低于1的r值的图像(c)-(f)示出了在心脏腔室602中的栅瓣杂波减少方面的改进的结果。然而，如在图像(e)和(f)中使用的诸如r＝0.4或r＝0.2的过于积极的值可能产生条纹伪影604。在这些情况下，使用这些更积极的滤波器进行滤波可以从大多数多线中消除来自感兴趣频带的一些或大多数信号。

在一些应用中，为了减少条纹效应，在栅瓣滤波操作之后的XBR处理可以将积极滤波的转向多线(例如，多线1-4或29-32)与未被滤波的一个或多个中心多线(例如，多线15-18)复合。该技术与图像(e)和(f)一起使用以减少条纹伪影。然而，在图像(f)中r＝0.2的最积极设置中，仍然存在剩余的一些线，其中，仍然存在过多的滤波伪影。在一些实例中，减轻条纹效应的另一技术可以包括在复合之前基于其前置和后置滤波器功率而对多线重新归一化。这意味着对经转向和经滤波的更低频率多线进行更多加权，以补偿在高频处丢失信号的功率。例如，如果通过滤波去除信号的功率的一半，则可以将功率的均方根加回到信号以重新归一化。

尽管如上所述的那样对所接收的信号进行滤波以减少栅瓣可以实施起来相对简单，但是即使在现有的超声成像系统上，对接收的信号进行滤波也是不理想的。滤除包括混叠频率的多线正在减轻已经发生的混叠。潜在的更好解决方案将是首先防止混叠发生，例如，通过减少易于混叠的空间频率。在一些示例中，可以至少部分地通过对由换能器阵列(例如，换能器阵列114)发射的发射波束进行成形来控制存在的空间频率。接收的信号源自发射波束内，因此改变发射波束的形状(例如，宽度)改变所接收的信号的空间频率内容。更窄的发射波束导致比更宽的发射波束更低的接收空间频率。

理想的发射波束宽度是频率依赖的，并且遵循如参考图3所讨论的等式1-3。在一些应用中，可能期望用于更高时间频率的更窄发射波束和用于更低频率的更宽发射波束宽度。在一些示例中，这可以通过使用频率依赖的发射孔径来实现。实施频率依赖的孔径可以包括在换能器阵列的不同换能器元件上发射不同的波形。波形带宽将跨孔径从一个元件到另一个元件改变。在一些示例中，发射波束的频率依赖的焦深可以用于调节发射波束的宽度。然而，该技术可以使用比先前讨论的发射波束成形技术更复杂的波形。在一些示例中，可以至少部分地基于由发射控制器(例如，发射控制器120)提供给换能器阵列(例如，换能器阵列114)的控制信号来对发射波束进行成形。

图7A和7B图示了根据本公开的示例成形的发射波束。在一些示例中，可以基于所发射的超声信号的时间频率来调节发射波束的宽度，以减少混叠和随后的栅瓣伪影。图7A是用于超声信号的高频的示例发射波束702。图7B是用于超声信号的低频的示例发射波束704。图7A和7B两者都是以极坐标(例如，深度与弧度)绘制的。如图所示，发射波束702的宽度比发射波束704更窄。更窄的发射波束702可以减小由高时间频率超声信号引起的空间频率，其可以在换能器阵列处混叠(例如，当个体元件或片块的间距高于奈奎斯特极限时)。然而，更宽的发射波束704可以用于更低的时间频率，以允许在发射事件期间声穿透更大的面积和/或体积。

尽管参考了分开的发射波束702和704，但是在一些示例中，发射事件可以包括“多个”发射波束。也就是说，发射波束702和704可以由换能器阵列同时(或几乎同时)发射。换能器元件(或换能器元件的片块)可以发射由多个频率组成的超声信号的波形，和/或不同的换能器元件(或片块)可以发射具有与其他换能器元件(或片块)不同的频率的超声信号的波形。例如，对于发射事件，一些片块可以仅发射更低的频率，一些片块可以仅发射更高的频率，而一些片块可以发射一定范围的频率，使得发射事件包括针对每个频率和/或频率范围成形的发射波束。在一些示例中，针对不同频率成形的发射波束可以在空间上和/或时间上至少部分地重叠。

图8A和8B图示了根据本公开的示例的用于调节发射波束的宽度的发射波形。在一些示例中，可以基于所发射的超声信号的时间频率来调节发射波束的焦深，以减少混叠和随后的栅瓣伪影。图8A是从1D换能器阵列发射的示例发射波形802。X轴是时间(时间样本)，并且Y轴是阵列的换能器元件。通过将焦深从针对低时间频率的-70mm和针对所发射的超声信号的最高时间频率的-140mm改变来生成发射波形802。这转变为调节所发射的波前的相位以随频率而改变。

在一些示例中，代替于调节超声信号的相位以改变焦深，并且因此改变发射波束的宽度，可以调节换能器阵列的孔径以改变发射波束的宽度。图8B是从1D换能器阵列发射的示例发射波形804。轴与图8A中的相同。通过针对低时间频率超声信号使用整个孔径(例如，用于发射超声信号的所有换能器元件)并且随着时间频率增加而减小孔径的尺寸(例如，减少用于发射超声信号的换能器元件的数量)来生成发射波形804。

在图8A和8B的示例中，类似于图7A和7B，发射事件可以包括“多个”发射波束，对于超声信号的每个频率和/或频率范围，每个发射波束具有不同的宽度。在一些示例中，发射波束的最大宽度和/或发射波束的最窄宽度可以至少部分地基于换能器阵列的间距。例如，具有更小间距尺寸(例如，换能器元件或片块之间的小距离)的换能器阵列可以能够从比具有更大间距尺寸的换能器阵列更宽的发射波束充分地采样高频。

通过如本文公开的那样对发射波束进行成形，所接收的信号可以包括很少或不包括高于换能器阵列的奈奎斯特极限的频率。因此，在一些示例中，可能不需要基于转向角对多线进行滤波来减少或消除栅瓣。在这些示例中，可以使用常规手段来对多线进行处理以生成超声图像。

如本文所公开的，可以对所接收的超声信号使用滤波技术，其仅对频率混叠的多线和/或转向角进行滤波。如本文所公开的，可以通过改变所发射的超声波束的形状以减小所接收的空间频率来减少或避免所接收的超声信号的欠采样。本文公开的技术可以减少或消除由混叠引起的栅瓣伪影。

在使用诸如基于计算机的系统或可编程逻辑的可编程器件来实施部件、系统和/或方法的各种示例中，应该意识到，上述系统和方法可以使用诸如“C”、“C++”、“FORTRAN”、“Pascal”，“VHDL”等的各种已知或以后开发的编程语言来实施。相应地，可以准备各种存储介质，诸如磁性计算机盘、光盘、电子存储器等，其可以包含可以引导诸如计算机的设备以实施上述系统和/或方法的信息。一旦适当的设备访问存储介质上包含的信息和程序，存储介质就可以向设备提供信息和程序，从而使设备能够执行本文所述的系统和/或方法的功能。例如，如果向计算机提供包含适当材料(诸如源文件、目标文件、可执行文件等)的计算机磁盘，则计算机可以接收该信息，适当地配置其自身并执行在上面的图和流程图中概述的各种系统和方法的功能以实施各种功能。也就是说，计算机可以从磁盘接收涉及上述系统和/或方法的不同元件的信息的各个部分，实施个体系统和/或方法并且协调以上所描述的个体系统和/或方法的功能。

鉴于本公开，应注意，本文描述的各种方法和设备可以以硬件、软件和/或固件来实施。此外，各种方法和参数仅通过示例而不是以任何限制意义被包括。鉴于本公开，本领域普通技术人员可以实施本教导以确定它们自己的技术和实现这些技术所需要的装备，同时保持在本发明的范围内。本文描述的处理器中的一个或多个的功能可以被并入到更少数量的或单个处理单元(例如，CPU)中，并且可以使用专用集成电路(ASIC)或响应于执行本文描述的功能的可执行指令而被编程的通用处理电路来实施。

尽管本系统可能已经特别参考超声成像系统进行了描述，但也设想了，本系统可以扩展到其中以系统性方式获得一幅或多幅图像的其他医学成像系统。因此，本系统可用于获得和/或记录与肾脏、睾丸、乳房、卵巢、子宫、甲状腺、肝、肺、肌肉骨骼、脾脏、心脏、动脉和血管系统有关但不限于此的图像信息，以及与超声引导的介入有关的其他成像应用。此外，本系统还可以包括可以与常规成像系统一起使用的一个或多个程序，使得它们可以提供本系统的特征和优点。本公开的某些额外优点和特征对本领域技术人员而言在研究本公开内容后能够显而易见，或者可以由采用本公开的新颖系统和方法的人员体验。本系统和方法的另一优点可以是常规医学图像系统可以容易地升级以并入本系统、设备和方法的特征和优点。

当然，应意识到，根据本系统、设备和方法，本文中描述的示例、范例或过程中的任何一个可与一个或多个其他示例、示例和/或过程相组合，或是分离的，和/或在分立设备或设备部分之中执行。

最终，以上讨论旨在仅仅为对本装置、系统和方法的说明而不应理解为将所附权利要求限制到任何特定的示例或示例的组。因此，尽管已经参考示例性示例详细描述了本装置、系统和方法，但是也应意识到，可以由本领域普通技术人员设计出许多修改和备选示例，而不偏离如在权利要求中阐述的本系统和方法的更广泛和预期的精神和范围。因此，说明书和附图要以说明性的方式来看待，而不是旨在限制权利要求书的范围。

Claims (21)

1.一种超声成像系统，包括：

换能器阵列，其被配置用于发射超声信号，接收响应于所述超声信号的回波，并且提供与针对多个多线的所述回波相对应的接收信号；以及

处理器，其被配置为：

确定针对所述换能器阵列的目标转向角，其中，所述目标转向角至少部分地基于所述换能器阵列的间距和所述超声信号的频率；

确定针对所述多个多线中的个体多线的转向角，其中，所述转向角至少部分地基于所述换能器阵列的所述间距；并且

在将所述接收信号处理成超声图像数据之前对与所述多个多线中的具有比所述目标转向角更大的转向角的一个或多个多线相对应的所述接收信号进行滤波。

2.根据权利要求1所述的超声成像系统，还包括波束形成器，所述波束形成器被配置为在所述处理器应用所述滤波器之前对所述接收信号进行波束形成。

3.根据权利要求1所述的超声成像系统，还包括微波束形成器，所述微波束形成器被配置为对来自所述换能器阵列的换能器元件的组的所述接收信号进行部分波束形成，其中，所述换能器阵列的所述间距是换能器元件的所述组之间的距离。

4.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中，所述目标转向角基于奈奎斯特极限以及在0与1之间且包括0和1的值。

5.根据权利要求4所述的超声成像系统，还包括用户接口，其中，所述值是由经由所述用户接口提供的用户输入来确定的。

6.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中，所述处理器还被配置为将来自所述多个多线中的被滤波的所述个体多线的所述接收信号与来自所述多个多线中的未被滤波的所述个体多线的所述接收信号进行复合。

7.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中，所述处理器还被配置为增加所述多个多线中的被滤波的所述个体多线的所述接收信号的功率。

8.根据权利要求1所述的超声成像系统，还包括发射控制器，其中，所述发射控制器向所述换能器阵列提供控制信号以控制所述超声信号的角度，其中，针对所述多个多线中的所述个体多线的所述转向角还至少部分地基于所述超声信号的所述角度。

9.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中，所述换能器阵列包括二维阵列。

10.根据权利要求1所述的超声成像系统，其中，所述换能器阵列包括形成较大阵列的多个换能器元件中的换能器元件的部分。

11.一种方法，包括：

利用换能器阵列来发射超声信号；

在所述换能器阵列处接收响应于所述超声信号的回波；

利用所述换能器阵列来生成针对多个多线的接收信号；

至少部分地基于所述超声信号的频率和所述换能器阵列的间距来确定目标转向角；

确定针对所述多个多线中的个体多线的转向角；并且

在将所述接收信号处理成超声图像数据之前对与所述多个多线中的具有比所述目标转向角更大的转向角的一个或多个多线相对应的所述接收信号进行滤波。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述转向角至少部分地基于所述换能器阵列的间距。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述转向角至少部分地基于所述超声信号的发射角。

14.根据权利要求11所述的方法，还包括将所述多个多线的所述接收信号进行复合。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述复合包括回溯性发射波束复合。

16.根据权利要求11所述的方法，还包括在滤波之前对所述接收信号进行波束形成。

17.一种超声成像系统，包括：

换能器阵列，其被配置用于发射包括超声信号的发射波束，接收响应于所述超声信号的回波，并且提供与针对多个多线的所述回波相对应的接收信号；以及

控制器，其被配置为向所述换能器阵列提供控制信号以使得所述换能器阵列发射所述超声信号，使得基于所述超声信号的频率来调节所述发射波束的宽度，其中，所述发射波束的所述宽度对于低频更宽并且对于高频更窄。

18.根据权利要求17所述的超声成像系统，其中，通过随着所述超声信号的所述频率增加而增加所述发射波束的焦深来调节所述宽度。

19.根据权利要求17所述的超声成像系统，其中，通过随着所述超声信号的所述频率增加而减小所述换能器阵列的孔径来调节所述宽度。

20.根据权利要求17所述的超声成像系统，其中，所述发射波束的最大宽度或最小宽度中的至少一项至少部分地基于所述换能器阵列的间距。

21.根据权利要求17所述的超声成像系统，还包括处理器，所述处理器被配置为对所述多线进行处理以生成超声图像。

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