用于反向波束成形的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種針對時延反向波束成形的系統(tǒng)和方法。一種方法包括：在時間上大體均勻地對連續(xù)時間單元信號集合采樣以便形成采樣單元信號集合；以及針對每個采樣單元信號，將大體等時間間隔的一個或多個樣本映射至對應于每個單元信號在連續(xù)時間波束和信號中的比重而非等時間間隔的一個或多個樣本上。所述方法還包括形成在時間上大體均勻地從非均勻間隔的映射樣本采樣的波束和信號，所述非均勻間隔的映射樣本對應于每個采樣單元信號。
【專利說明】用于反向波束成形的系統(tǒng)和方法
【技術領域】
[0001]本說明書公開的本發(fā)明大體涉及成像系統(tǒng)以及方法，并且更具體地，涉及用于在超聲成像系統(tǒng)中執(zhí)行反向波束成型的系統(tǒng)和方法。
【背景技術】
[0002]醫(yī)療診斷超聲是采用超聲波來探測患者身體聲學特性并且產生對應圖像的成像模式。聲波脈沖產生以及返回回波檢測通常通過位于探針中的多個變換器來實現。通常，此類變換器會包括機電單元，所述機電單元能將電能轉換成機械能以進行傳輸并將機械能轉換回電能以實現接收目的。一些超聲探針包括布置成單元線性陣列或二維矩陣形的多達數千的變換器。
[0003]波束成形裝置通常是與超聲探針關聯，以便組合來自每個變換器單元的信號，從而增強對從所需聚焦深度和方向接收到的聲能的響應。在某些超聲系統(tǒng)中，在時間上均勻地對波束成形裝置的輸入和輸出兩者、單元信號和波束和信號進行采樣。在某些系統(tǒng)中，波束成形裝置聚焦功能通過以下方式實現:針對每個波束和樣本來計算每個單元信號中的對應時間，所述對應時間考慮到了聲能從變換器發(fā)射、在所需焦點處從散射器反射并返回至此單元的傳播時間。通常，聚焦功能所使用的這個傳播時間將并不與所提供的均勻間隔開的單元樣本中的一個對應。在一些傳統(tǒng)波束成形裝置中，聚焦時間上的值通過以下方式獲得:插入可用均勻間隔 開的單元樣本，以便近似在聚焦時間上對單元信號采樣時將會獲得的值。
[0004]這種插值可以在如常規(guī)專用集成電路(ASIC)的專用硬件中執(zhí)行，或在如通用處理器(CPU或中央處理單元)或圖形處理單元(GPU)的計算機處理器中執(zhí)行。第一實現方案可以稱作硬件波束成形裝置，并且第二實現方案可以稱作軟件波束成形裝置。
[0005]在一些應用中，計算來自同一單元信號集合、即來自在單個發(fā)射事件中所獲取的數據的一個以上波束和信號是有用的。這增加了最大圖像顯示速率，因為在所需二維掃描區(qū)域上或三維體積上形成圖像所要求的傳輸發(fā)射(transmit firing)數量減少。在硬件波束成形裝置中，在單元信號樣本產生并且隨后棄置時，通常順序處理所述單元信號樣本。形成多波束和通常要求針對每個波束和來復制插值硬件。就能力和成本而言，這可能會成本較高，尤其是在每個發(fā)射事件需要許多(例如，約16至64)接收光束時所進行的體積成像過程中。
[0006]在軟件波束成形裝置中，通常暫時將用于一個或多個傳輸發(fā)射的單元信號樣本存儲在存儲器中，并且插值軟件從存儲器存取所要求的樣本。在軟件波形裝置中，可計算的接收波束數量主要受到處理器可執(zhí)行計算時的速率限制。在許多應用中，相比硬件波形裝置，軟件波形裝置在功耗和成本方面具有顯著優(yōu)點。
[0007]計算速度是由以下兩者確定:處理器的原始速度、即在處理器中執(zhí)行數學運算時的速率，以及存儲帶寬、即可從處理器中讀出數據并將所述數據寫入存儲器中時的速率。存儲帶寬可為如軟件波束成形的應用中的限制因素，其中僅僅少量數據運算需要在極大數量樣本中的每個樣本上執(zhí)行。這在無法順序尋址特定應用中的存儲器時尤其如此，因為介于處理器與存儲器之間的接口通常高度優(yōu)化用于順序存儲存取。不幸地是，計算軟件波束成形裝置中的多波束和所用常規(guī)方法要求重復、非順序存取存儲在存儲器中的數據，從而限制系統(tǒng)效率。
【發(fā)明內容】
[0008]在一個實施例中，一種方法包括:在時間上大體均勻地對連續(xù)時間單元信號集合采樣以便形成采樣單元信號集合；以及針對每個采樣單元信號，將大體等時間間隔的一個或多個樣本映射至非等時間間隔的一個或多個樣本上，這對應于每個單元信號對連續(xù)時間波束和信號的相應貢獻。所述方法還包括了形成在時間上大體均勻地從對應于每個采樣單元信號的非均勻間隔的映射樣本采樣的波束和信號。
[0009]作為優(yōu)選，形成所述波束和信號包括插入所述一個或多個非均勻間隔的樣本。
[0010]作為優(yōu)選，通過非采樣波束和信號中的非均勻間隔值來形成所述波束和信號包括在一對或者多對非均勻間隔的樣本之間線性插入零或多個樣本。
[0011]作為優(yōu)選，形成所述波束和信號包括:與所述采樣單元信號相比，對所述波束和信號進行過采樣；將所述非均勻間隔的樣本分配至最近過采樣的位置；以及將所述過采樣的波束和信號的采樣速率減小至所需采樣速率。 [0012]在另一實施例中，一種超聲系統(tǒng)包括:具有一個或多個變換器的變換器陣列；發(fā)射器，其適于將電氣信號發(fā)射至所述變換器陣列；接收器，其適于在所述一個或多個變換器檢測到超聲回波時接收由所述 變換器陣列產生的電氣信號；發(fā)射器/接收器開關電路，其連接到所述變換器陣列上并適于開關所述發(fā)射器和所述接收器；模數轉換器，其適于從所述接收器接收對應于所述超聲波的模擬數據并將所述模擬數據轉換成數字單元信號。所述系統(tǒng)還包括了波束成形裝置，所述波束成形裝置適于接收并且處理所述數字單元信號以便使波束和信號形成。所述波束成形裝置適于:在時間上大體均勻地對連續(xù)時間單元信號集合采樣以便形成采樣單元信號集合；針對每個采樣單元信號，將大體等時間間隔的一個或多個樣本映射至非等時間間隔的一個或多個樣本上，這對應于每個單元信號對連續(xù)時間波束和信號的相應貢獻；以及形成在時間上大體均勻地從對應于每個采樣單元信號的非均勻間隔的映射樣本米樣的波束和信號。
[0013]作為優(yōu)選，波束成形裝置配置用于通過插入所述一個或多個非均勻間隔的樣本以形成所述波束和信號。
[0014]作為優(yōu)選，波束成形裝置配置用于通過在一對或者多對非均勻間隔的樣本之間線性插入零或多個樣本而從非采樣的波束和信號中的非均勻間隔的值來形成所述波束和信號。
[0015]作為優(yōu)選，包括處理器，處理器配置用于從所述波束成形裝置接收所述波束和信號并處理來自各種發(fā)送事件的波束和信號以形成對應于圖像的圖像數據。
[0016]作為優(yōu)選，包括掃描轉換器，用以接收所述圖像數據并將所述圖像數據轉換成幾何校正像素數據。
[0017]作為優(yōu)選，包括顯示器處理器，所述顯示器處理器配置用于從所述掃描轉換器接收所述數字像素數據并對所述數字像素數據進行濾波和轉換以產生模擬數據。[0018]作為優(yōu)選，進一步包括顯示器，其中所述顯示器處理器配置用于將對應于所述數字像素數據的所述模擬數據顯示在所述顯示器上。
[0019]作為優(yōu)選，包括用戶接口，所述用戶接口配置用于接收一個或多個用戶輸入以使所述用戶能夠控制顯示在所述顯示器上的所述圖像的一個或多個參數。
[0020]作為優(yōu)選，包括遠程連接模塊，所述遠程連接模塊連接至所述波束成形裝置上并且配置用于將所述波束成形裝置連接到外部網絡上。
[0021]作為優(yōu)選，包括連接到配置用于存儲對應于所述超聲回波的數據的成像數據庫上的成像工作站。
[0022]作為優(yōu)選，包括圖像數據庫，所述圖像數據庫連接到所述波束成形裝置上并且配置用于能夠將超聲圖像數據從所述圖像數據庫發(fā)送到與所述波束成形裝置關聯的存儲器上。
[0023]在另一實施例中，一種計算機可讀媒介對一個或多個可執(zhí)行的例程進行編碼所述可執(zhí)行的例程在由處理器執(zhí)行時致使所述處理器來執(zhí)行行為，所述行為包括:在時間上大體均勻地對連續(xù)時間單元信號集合采樣以便形成采樣單元信號集合；針對每個采樣單元信號，將大體等時間間隔的一個或多個樣本映射至非等時間間隔的一個或多個樣本上，這對應于每個單元信號對連續(xù)時間波束和信號的相應貢獻；以及形成在時間上大體均勻地從對應于每個采樣單元信號的非均勻間隔的映射樣本采樣的波束和信號。
[0024]作為優(yōu)選，形成所述波束和信號包括插入所述一個或多個非均勻間隔的樣本。
[0025]作為優(yōu)選，通過非采樣的波束和信號中的非均勻間隔的值來形成所述波束和信號包括在一對或者多對非均勻間隔的樣本之間線性插入零或多個樣本。
[0026]作為優(yōu)選，形成所述波束和信號包括:比起所述采樣單元信號，對所述波束和信號過采樣；將所述非均勻間隔的樣本分配至最近過采樣的位置；以及將所述過采樣的波束和信號的采樣速率減小至所需采樣速率。
[0027]作為優(yōu)選，所述處理器進一步配置用于執(zhí)行所述行為，包括處理來自各種發(fā)射事件的波束和信號以便形成對應于圖像的圖像數據。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]在參照附圖閱讀以下詳細描述時，將更好地理解本發(fā)明的這些和其它特征、方面及優(yōu)點，在附圖中，相似符號表示相似零件，其中:
[0029]圖1是根據本技術的超聲系統(tǒng)的實施例的圖解視圖；
[0030]圖2是根據實施例的波束成形幾何圖形的圖解視圖；
[0031]圖3是示出波束成形技術實例的圖解視圖；
[0032]圖4是示出反向波束成形技術的實施例的圖解視圖；
[0033]圖5是示出反向波束成形方法的實施例的流程圖；
[0034]圖6是示出波束成形技術中的樣本映射實例的圖解視圖；
[0035]圖7是示出反向波束成形技術中的樣本映射的實施例的圖解視圖；
[0036]圖8是示出根 據實施例的輸出緩沖器中代表值的圖；
[0037]圖9更詳細地示出圖8的圖的一部分；
[0038]圖10是示出數字低通濾波器中的值的實施例的圖，所述數字低通濾波器可以用于對存儲在圖8的輸出緩沖器中的值進行濾波；以及
[0039]圖11是根據實施例的示出在通過低通濾波進行修改并抽取之后存儲在圖8的輸出緩沖器中的過采樣的波束和信號的代表值的圖。
【具體實施方式】
[0040]波束成形中的延時函數通常描述并實現為從波束和信號中的均勻間隔輸出樣本時間至單元信號中的非均勻間隔的采樣時間映射。由于所提供的輸入樣本在時間上均勻間隔，因此所需輸入值是通過插值獲得。然而，如在下文更詳細地描述，本說明書提供涉及一種使此映射反向的新穎波束成形方法的系統(tǒng)和方法。更確切地，在所提供的實施例中，延時函數被重寫以將單元信號中提供的均勻間輸入樣本時間映射至波束和信號中非均勻間隔的輸出樣本時間。在所提供的實施例中，所需均勻間隔輸出樣本值是通過插值而從非均勻至均勻采樣時間柵格獲得。在這種“反向波束成形”方法目前公開的實施例中，僅需存取每個單元樣本一次，無論從給定單元樣本集合計算的波束和信號的數量多少都是如此。上述特征可以例如在軟件波束成形中是有利的，尤其是當使用同一單元樣本集合計算大量的波束信號時，其中存儲帶寬可為限制因素。目前公開的反向波束成形方法和系統(tǒng)的這些和其他特征將在下文更詳細地描述。
[0041 ] 現在轉至附圖，圖1是根據本發(fā)明的實施例的超聲系統(tǒng)的實施例的圖解視圖。所示超聲系統(tǒng)10包括示例組件，其以適于數據獲取和處理的方式連接。然而，所示實施例僅僅是示例，而不意在限制目前公開的實施例所所涵蓋的形式、組件或數據流。實際來說，在其他實施例中，系統(tǒng)10的架構和模塊可以包括各種硬件和軟件組件。例如，系統(tǒng)可以包括硬件組件，如具有數字信號處理器的電路板。另外，系統(tǒng)10可以具有在多種媒介、存儲裝置或如個人計算機的硬件上可執(zhí)行的計算機可讀指令。
[0042]在所示實施例中，壓電變換器陣列18設有前面(front face)或聲學透鏡結構19，其適于接觸對象16以便能夠執(zhí)行超聲掃描而來分析對象16的內部特征。通常，同一變換器以脈沖-回波模式同時產生并且接收超聲能量，但變換器上不同單元可在一些實施例中用于這些功能。
[0043]變換器陣列18通過發(fā)射器/接收器開關電路22連接到發(fā)射器24和接收器26上。發(fā)射器/接收器開關電路22開關變換器陣列18與發(fā)射器24和接收器26之間的電氣連接。在操作中，發(fā)射器24在必須將超聲能量發(fā)射到對象16的身體中時連接到變換器陣列18上，并且接收器電路26在變換器陣列18從對象16的組織層接收回波信號時連接到變換器陣列18上。
[0044]也就是說，所示變換器陣列18包括雙向變換器。當將超聲波發(fā)射到對象16上時，使超聲波從對象16內的組織和血液反向散射(backscattered)。變換器陣列18中的變換器單元在不同時間上接收反向散射的波，具體是取決于進入其從中返回的組織中的深度以及相對其返回到的變換器陣列18的表面的角度。變換器單元是響應反向散射的波并將來自反向散射的波的超聲能量轉換成電氣信號。
[0045]由變換器陣列18接收的電氣信號通過發(fā)射器/接收器開關電路22路由到接收器26上。接收器26在適當增益補償后放大所接收的信號，并且模數轉換器(ADC) 20將這些從每個變換器陣列單元接收的模擬信號轉換成在時間上經均勻采樣的數字化的信號，所述數字化的信號暫時存儲在系統(tǒng)存儲器33中。數字化的信號對應由每個變換單元在不同時間接收的反向散射的波。數字化后，信號仍會保留反向散射的波的幅度和相位信息。
[0046]系統(tǒng)處理器32從系統(tǒng)存儲器33檢索單元信號并將其發(fā)射到波束成形裝置存儲器
23。在一些實現方案中，系統(tǒng)處理器32可以修改單元信號，如將其轉換成基帶信號或對信號進行壓縮。在其他實現方案中，在將信號存儲在系統(tǒng)存儲器33中之前，這些附加處理步驟可以在專用硬件中執(zhí)行。
[0047]波束成形裝置處理器21從波束成形裝置存儲器23讀出單元信號，執(zhí)行如在下文更詳細地描述出的波束成形步驟，產生波束和信號并將波束和信號寫入波束成形裝置存儲器23。系統(tǒng)處理器32從波束成形裝置存儲器23讀出波束和信號并處理源自各種發(fā)射事件的波束和信號以便成形圖像，在給定的實施例中，如果需要，可將所述圖像顯示在顯示器42上。 [0048]在所示實施例中，波束成形處理在獨立于系統(tǒng)處理器32的處理器(即，波束成形裝置處理器21)中執(zhí)行。然而，應當注意，在其他實施例中，波束成形處理可以在系統(tǒng)處理器32中執(zhí)行，或在系統(tǒng)10任何合適的電路中執(zhí)行。
[0049]在所示實施例中，系統(tǒng)10還包括與系統(tǒng)處理器32通信連接的用戶接口 44以及顯示單元42，以使用戶能夠與處理器32通信，例如，以便輸入一個或多個所需成像或顯示參數。在某些實施例中，系統(tǒng)處理器32也可連接到遠程連接模塊46上，所述遠程連接模塊具有網絡服務器48和用于通過鏈路52將超聲系統(tǒng)連接到網絡上的遠程連接接口 50。系統(tǒng)處理器32可進一步連接到圖像數據庫54上以接收超聲圖像數據。轉而，圖像數據庫54可與成像工作站56通信連接。
[0050]圖2是示出波束成形幾何形狀的示意圖60。所需波束沿著矢量R定位，其源自于矢量x = 0。單元位置是等間隔的輸出樣本對應于沿著波束方向的等間隔的范圍|R|，如在以下給出:
[0051](I) icts = 2 I R(i),
[0052]其中i是樣本數量、整數值，c是聲音傳播速度，并且ts是采樣時間間隔；對于聲從原點到焦點R(i)并回原點的雙向傳播，要考慮到兩個因素。對于\處的單元，這些等間隔的輸出樣本對應非等間隔采樣時間集合(I / c)[|R(i) | + |R⑴-X」]，所述非等間隔采樣時間是聲從原點傳播到焦點R(i)并回\處的單元所要求的時間。由于可用單元樣本在時間上是等間隔的，因此所需單元樣本值通常是通過插值獲得。
[0053]應當注意,為了簡單起見,波束和在本說明書中描述為對應沿著定向在特定方向上(直)線定位的焦點集合。然而，應當了解，更通常地，通過正確選擇聚焦功能，波束成形裝置可以產生對應沿著曲線定位的焦點集合的波束和，并且目前公開的實施例并不限于其中波束和對應沿著直線定位的焦點集合的情況。
[0054]本說明書提供的方法和技術使得這個過程反向，其方法是轉而將特定單元信號的等間隔的樣本替代映射至非等間隔輸出樣本集合并且在輸出上執(zhí)行插值:
[0055](2) icts = RI +1 R-Xe |.[0056]等式⑵可以求解Re |R|:
【權利要求】
1.一種波束成形方法，所述方法包括: 在時間上大體均勻地對連續(xù)時間單元信號集合采樣以便形成采樣單元信號集合； 針對每個采樣單元信號，將大體等時間間隔的一個或多個樣本映射至對應于每個單元信號在連續(xù)時間波束和信號中的比重而非等時間間隔的一個或多個樣本上；以及 形成在時間上大體均勻地從非均勻間隔的映射樣本采樣的波束和信號，所述非均勻間隔的映射樣本對應于每個采樣單元信號。
2.如權利要求1所述的方法，其中形成所述波束和信號包括插入所述一個或多個非均勻間隔的樣本。
3.如權利要求2所述的方法，其中通過非采樣波束和信號中的非均勻間隔值來形成所述波束和信號包括在一對或者多對非均勻間隔的樣本之間線性插入零或多個樣本。
4.如權利要求1所述的方法，其中形成所述波束和信號包括:與所述采樣單元信號相t匕，對所述波束和信號進 行過采樣；將所述非均勻間隔的樣本分配至最近過采樣的位置；以及將所述過采樣的波束和信號的采樣速率減小至所需采樣速率。
5.—種超聲系統(tǒng),所述超聲系統(tǒng)包括: 包括一個或多個變換器的變換器陣列； 發(fā)射器，其配置用于將電氣信號發(fā)射至所述變換器陣列； 接收器，其配置用于在所述一個或多個變換器檢測到超聲回波時接收由所述變換器陣列產生的電氣信號； 發(fā)射器/接收器開關電路，其連接到所述變換器陣列上并配置用于開關所述發(fā)射器和所述接收器； 模數轉換器，其配置用于從所述接收器接收對應于所述超聲波的模擬數據并將所述模擬數據轉換成數字單元信號；以及 波束成形裝置，所述波束成形裝置配置用于接收并且處理所述數字單元信號以形成波束和信號，其中所述波束成形裝置配置用于:在時間上大體均勻地對連續(xù)時間單元信號集合采樣以便形成采樣單元信號集合；針對每個采樣單元信號，將大體等時間間隔的一個或多個樣本映射至非等時間間隔的一個或多個樣本上，這對應于每個單元信號對連續(xù)時間波束和信號的相應貢獻；以及形成在時間上大體均勻地從對應于每個采樣單元信號的非均勻間隔的映射樣本米樣的波束和信號。
6.如權利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述波束成形裝置配置用于通過插入所述一個或多個非均勻間隔的樣本以形成所述波束和信號。
7.如權利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述波束成形裝置配置用于通過在一對或者多對非均勻間隔的樣本之間線性插入零或多個樣本而從非采樣的波束和信號中的非均勻間隔的值來形成所述波束和信號。
8.如權利要求5所述的系統(tǒng)，其包括處理器，其中所述處理器配置用于從所述波束成形裝置接收所述波束和信號并處理來自各種發(fā)送事件的波束和信號以形成對應于圖像的圖像數據。
9.如權利要求8所述的系統(tǒng)，其包括掃描轉換器，用以接收所述圖像數據并將所述圖像數據轉換成幾何校正像素數據。
10.如權利要求9所述的系統(tǒng)，其包括顯示器處理器，所述顯示器處理器配置用于從所述掃描轉換器接收所述數字像素數據并對所述數字像素數據進行濾波和轉換以產生模擬數據。
11.如權利要求10所述的系統(tǒng)，其進一步包括顯示器，其中所述顯示器處理器配置用于將對應于所述數字像素數據的所述模擬數據顯示在所述顯示器上。
12.如權利要求11所述的系統(tǒng)，其包括用戶接口，所述用戶接口配置用于接收一個或多個用戶輸入以使所述用戶能夠控制顯示在所述顯示器上的所述圖像的一個或多個參數。
13.如權利要求5所述的系統(tǒng)，其包括遠程連接模塊，所述遠程連接模塊連接至所述波束成形裝置上并且配置用于將所述波束成形裝置連接到外部網絡上。
14.如權利要求5所述的系統(tǒng)，其包括連接到配置用于存儲對應于所述超聲回波的數據的成像數據庫上的成像工作站。
15.如權利要求5所述的系統(tǒng)，其包括圖像數據庫，所述圖像數據庫連接到所述波束成形裝置上并且配置用于能夠將超聲圖像數據從所述圖像數據庫發(fā)送到與所述波束成形裝置關聯的存儲器上。
16.一種對一個或多個可執(zhí)行的例程進行編碼的計算機可讀媒介，所述可執(zhí)行的例程在由處理器執(zhí)行時致使所述處理器來執(zhí)行行為，所述行為包括: 在時間上大體均勻地對連續(xù) 時間單元信號集合采樣以便形成采樣單元信號集合； 針對每個采樣單元信號，將大體等時間間隔的一個或多個樣本映射至非等時間間隔的一個或多個樣本上，這對應于每個單元信號對連續(xù)時間波束和信號的相應貢獻；以及 形成在時間上大體均勻地從對應于每個采樣單元信號的非均勻間隔的映射樣本采樣的波束和信號。
17.如權利要求16所述的計算機可讀媒介，其中形成所述波束和信號包括插入所述一個或多個非均勻間隔的樣本。
18.如權利要求17所述的計算機可讀媒介，其中通過非采樣的波束和信號中的非均勻間隔的值來形成所述波束和信號包括在一對或者多對非均勻間隔的樣本之間線性插入零或多個樣本。
19.如權利要求16所述的計算機可讀媒介，其中形成所述波束和信號包括:比起所述采樣單元信號，對所述波束和信號過采樣；將所述非均勻間隔的樣本分配至最近過采樣的位置；以及將所述過采樣的波束和信號的采樣速率減小至所需采樣速率。
20.如權利要求16所述的計算機可讀媒介，其中所述處理器進一步配置用于執(zhí)行所述行為，包括處理來自各種發(fā)射事件的波束和信號以便形成對應于圖像的圖像數據。
【文檔編號】A61B8/00GK103919574SQ201410019458
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年1月16日 優(yōu)先權日:2013年1月16日
【發(fā)明者】K.W.里格比 申請人:通用電氣公司