專利名稱：獨立于角度的超聲體積流量測量的制作方法
借助于在本說明書的本節(jié)最后編號的參考文獻解釋本發(fā)明的背景技術。體積型流體(例如，血液)流量的量化具有許多有利的應用，包括臨床應用，比如診斷心臟病、頸動脈狹窄、冠狀動脈硬化癥以及腎衰竭等。多普勒儀是當前應用超聲測量血流的臨床標準。朝向或背離超聲束脈沖的流體運動改變了穿透脈沖的波長。假設在該聲束和輸送流體的導管(例如，血管)的方向之間的夾角已知，則在該導管中的流體流動的流速可以從最終的多普勒頻移中計算出。當前的這種體積流量測量的技術要求聲探測器來定位導管的中心軸在超聲束的掃描平面中的位置，然后假定為圓形對稱的腔管來計算總的流體體積。由于這些假設經(jīng)常并不正確，以至產生較大的誤差，使得該方法很難應用。
應用多重多普勒聲束來測定在平面內的流體流速(即，在超聲束掃描平面內的速度)的技術已經(jīng)公知了幾十年(Wang1982)[1]。應用兩共面的聲束和三角關系，得到所測量的速度是獨立于角度的。
連續(xù)的超聲A-線的互相關消除了多普勒儀的混疊模糊(Bonnefous1986)[13]。
應用斑點軌跡(在連續(xù)的幀面之間的模式相關)來確定1-D和2-D流動矢量(Trahey1987[2])。隨著體積超聲掃描的進行，在3-D應用中使用相關探測法獲得了一定的成功(Morsy1999)[3]。
Newhouse(1987)[4]研究了確定非軸向流動分量的幅值的第一種技術，該技術基于超聲RF信號的頻譜增寬。
最近，Anderson(1998)[5]應用點擴展函數(shù)的空間加權來確定橫向運動的大小。在類似的研究中，Jensen(1998)[6]應用通過換能器元件的變跡法產生橫向空間調制來在垂直于軸向流動的一個或兩個方向上對流量進行定量。所有這些技術都只能確定2-D的流量。
在許多文獻中已經(jīng)記載了應用回波信號的解相關來估計血液速度。Bamber(1998)[7]應用A-線的時間變化率證實可以應用解相關來對組織運動和血流進行成像。Li等人(1997)[8]更為定量地說明了RF信號的解相關與橫向位移的線性相關。先前在動物研究中還顯示應用灰度級解相關檢測對比增強的血流的變化(Rubin，1999)[9]。
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優(yōu)選的實施例在測量所研究的區(qū)域中的流體體積流量的超聲系統(tǒng)中很有用。在這種情況下，優(yōu)選通過超聲換能器將超聲波在確定掃描平面的發(fā)射方向上發(fā)射到導管中。產生響應從在導管中的流體中反向散射的超聲波的數(shù)據(jù)信號。響應從該數(shù)據(jù)信號中產生的數(shù)據(jù)產生具有表示在掃描平面中流體流速分量的速度值的流速信號。對部分數(shù)據(jù)進行相關，并計算該部分的解相關率。響應該速度信號和解相關率估計流體體積流量。可取的是應用超聲換能器和數(shù)據(jù)處理器實施該技術。
通過應用前述的技術，可以獨立于掃描角度地確定在導管中的流體體積流量，而并不需要對導管形狀或流動的幾何特性作任何假設。例如，該技術允許真實的血液體積流量估計而不需要作如上文所描述的已有方法中通常所做的假設。該技術優(yōu)選的實施例可以并入到現(xiàn)行市場上的大多數(shù)的標準超聲換能器陣列掃描頭中。該技術穩(wěn)定可靠并可以實時地實施。
附

圖1所示為適合于在優(yōu)選的實施例中應用的色流和B-模式超聲成像系統(tǒng)的信號處理通道的示意方塊圖。
附圖2所示為在附圖1中所示的中間處理器色流裝置的示意方塊圖。
附圖3所示為在附圖1中所示的中間處理器B-模式裝置的示意方塊圖。
附圖4所示為說明在附圖1中所示的系統(tǒng)的一部分的附加細節(jié)的示意方塊圖。
附圖5所示為說明在附圖1中的超聲換能器相對于流體在其中流動的導管的實例性方向的示意方塊圖。
附圖6所示為在附圖5中所示的換能器以15°增量沿正面/側面所產生的超聲束的計算聲束相關寬度以及從Bx(橫向)和By(軸向)理論橢圓擬合。
參考附圖1，適合本發(fā)明的實施例的色流和灰度級成像系統(tǒng)的基本信號處理鏈包括超聲換能器陣列2，激勵該超聲換能器陣列發(fā)射包括長度P的音頻脈沖群的脈沖序列，以通常在千赫茲范圍的脈沖重復頻率(PRF)反復地激發(fā)該音頻脈沖群。用于色流和B-模式的包括脈沖群長度P的脈沖序列不同相同。對于色流成像，P可以是4至8個周期，并且音頻脈沖群以相同的發(fā)射特性聚焦在相同的發(fā)射焦點位置上。
聚焦在相同的發(fā)射焦點位置上的一系列的色流發(fā)射激發(fā)脈沖稱為一“組(packet)”。每次發(fā)射束通過所掃描的目標傳播，并被在目標中的超聲散射體反射。
通過換能器元件檢測返回的RF信號并通過在波束生成器4中的相應的接收通道接收。波束生成器對被延遲的通道數(shù)據(jù)進行求和并輸出波束和信號，通過解調器6將該信號解調成同相的正交的(I/Q)信號分量。來自解調器6的B-模式的I、Q輸出都輸送到用于灰度級B-模式處理的中間處理器8G，而來自解調器6的色流的I、Q輸出都被輸送到用于彩色處理的中間處理器8C。
附圖2所示為中間處理器8C。來自解調器6的I/Q信號分量存儲在角旋存儲器(corner turner memory)7中，該角旋存儲器7的作用是對可能的交叉激發(fā)脈沖產生的數(shù)據(jù)起緩沖作用并以在給定的范圍單元處不同激發(fā)間點的矢量的形式輸出該數(shù)據(jù)。在“短時間”內接收數(shù)據(jù)或在每次激發(fā)脈沖的連續(xù)的下降范圍(沿著矢量)內接收數(shù)據(jù)。將角旋存儲器的輸出重新排序成“長時間”或對于每距離元的按激發(fā)脈沖順序地重排。所得的“長時間”的I/Q信號采樣通過wall濾波器9，該wall濾波器9消除了對應于靜止或移動很慢的組織的所有信號。然后將經(jīng)濾波的輸出饋送到參數(shù)估計器11中，該參數(shù)估計器11將距離元信息轉換為中間自相關參數(shù)N、D和R(O)。N和D都是自相關等式的分子和分母，表示如下N=Σi=1M-1(IiQi+1-Ii+1Qi)---(A)]]>D=Σi=1M-1(IiIi+1+QiQi+1)---(B)]]>這里Ii和Qi都是激發(fā)i的經(jīng)解調的基帶的輸入數(shù)據(jù)，M是在該組中的激發(fā)脈沖數(shù)。R(O)近似為在該組中的激發(fā)脈沖數(shù)的有限和，表示如下R(0)=Σi=1M-1(I12+Q12+Ii+12+Qi+12)2---(C)]]>R(O)表示來自色流發(fā)射激發(fā)脈沖的反向散射的色流功率。
處理器將N和D轉換為每個距離元的幅值和相位。所使用的等式如下|R(T)|=N2+D2---(D)]]>φ(T)=tan-1[ND]---(E)]]>R(T)和φ(T)分別為第一滯后自相關函數(shù)的幅值和相位。使用術語滯后表示一段時間延遲。例如，滯后可以是幀之間增量或激發(fā)之間增量。如等式(A)-(C)所示，通過在一組激發(fā)數(shù)中的已知數(shù)據(jù)的有限和來估計精確的自相關函數(shù)。
參數(shù)估計器處理將該幅值和相位值處理為具有分別表示該功率、速度和擾動或在導管11A、11B和11C中傳輸?shù)姆讲畹墓烙嬛档男盘枴迷撓辔粊碛嬎闫骄嗥绽疹l率，如下文所示該平均多普勒頻率與速度成比例；R(O)和|R(T)|(幅值)用于估計擾動。
從N和D的相位和T的脈沖重復中得出以赫茲為單位的平均多普勒頻率f-=12πTtan-1[ND]=12πT(φ(T))]]>應用下面的多普勒頻移方程計算平均速度。由于不知道在流動方向和采樣方向之間的角度θ，故假設cosθ為1.0。v-=f-f0c2cosθ---(G)]]>可取的是，參數(shù)估計器并不需要計算平均多普勒頻率作為中間輸出，而是通過查詢表從處理器的相位輸出中直接計算ν。然而，任何速度估計器都可以用于計算在后面的式(1)-(6)中所描述的計算。速度估計包括延遲互相關，自回歸等。
在時間域中計算擾動作為平均多普勒頻率的方差的二階級數(shù)展開。擾動的時間域展開包含分別計算零滯后和1-滯后自相關函數(shù)，R(O)和R(T)。
擾動的時間域可以表示為σ2=2(2πT)2[1-|R(T)|R(0)]---(H)]]>平均值信號φ(T)是流動反射體的平均多普勒頻移的估計量，而該估計量與平均血流速度成比例。方差信號δ2表示基帶回波信號的流量信號分量的頻率擴展。這個值表明是流動紊流，即包含多種流速的混合。為指示從該流動反射體反射的信號的強度，信號R(O)指示了在經(jīng)多普勒頻移后的流量信號的返回功率的大小。
通過數(shù)據(jù)壓縮模塊13傳遞關于導管11A中的信號功率，該數(shù)據(jù)壓縮模塊13根據(jù)多族數(shù)據(jù)壓縮曲線壓縮該數(shù)據(jù)。不同族的曲線用于不同的掃描應用。例如，一族曲線用于腎臟掃描，而其它族的曲線用于頸動脈掃描。當用戶選擇該掃描應用時控制器26設定默認的曲線。動態(tài)范圍控制在顯示器18上產生的強度的范圍。
參考附圖3，灰度級B-模式中間處理器8G包括通過計算量(I2＋Q2)1/2形成包絡線束寬之和接收信號的包絡線的包絡線檢測器10。對該信號的包絡線進行一些附加的B-模式處理比如對數(shù)壓縮(在附圖3中的塊12)以形成輸出到掃描轉換器14(附圖1)的顯示數(shù)據(jù)。
在此參考附圖1，將色流估計量和灰度級顯示數(shù)據(jù)輸送到將該數(shù)據(jù)轉換為視頻顯示的X-Y格式的掃描轉換器14。以X-Y格式的掃描轉換幀傳遞到視頻處理器16，該視頻轉換器16將視頻數(shù)據(jù)基本映射到顯示彩色圖和灰度級圖象幀以進行視頻顯示。然后將該圖象幀輸送到視頻監(jiān)測器18進行顯示。一般地，對于彩色圖象，單獨地顯示每個速度或功率或與功率或紊流度一起顯示速度。系統(tǒng)控制集中在主計算機(未示)中，該主計算機通過操作員接口(例如，鍵盤)接收操作員輸入并控制各種子系統(tǒng)。
通過視頻監(jiān)測器18所顯示的圖象是由下述數(shù)據(jù)的圖象幀中產生的，在該數(shù)據(jù)的圖象幀中每條數(shù)據(jù)都表示在顯示器上的相應的像素的強度或亮度以及流速。圖象幀例如可以包括數(shù)據(jù)陣列，在該數(shù)據(jù)陣列中每個強度數(shù)據(jù)都是表示像素的色彩和亮度的二進制數(shù)。通過已知的方式讀取在數(shù)據(jù)陣列中的它的相應元件值來連續(xù)地刷新在顯示監(jiān)測器18上的每個像素的亮度。每個像素所具有的強度是與查詢的超聲脈沖和所應用的灰度圖以及彩色值相對應的采樣體積的反向散射體的橫截面的函數(shù)，該彩色值表示流體的平均速度和/或功率。
參考附圖4，系統(tǒng)控制集中在主控制器或主計算機26中，該主控制器或主計算機通過操作員接口(未示出)接收操作員輸入并控制各種子系統(tǒng)。該主控制器26還產生系統(tǒng)時序和控制信號。主控制器26包括中央處理單元(CPU)30和隨機存取存儲器32。應用鍵盤29給CPU30輸入數(shù)據(jù)。CPU30具有并入在其中的只讀存儲器，該只讀存儲器存儲基于所采集的原始數(shù)據(jù)構造灰度和彩色圖的程序。
掃描轉換器14包括聲傳輸線存儲器22和X-Y存儲器24。將以極坐標(R-θ)扇區(qū)格式存儲在聲傳輸線存儲器22中的B-模式和彩色模式強度數(shù)據(jù)轉換為適當比例的笛卡兒坐標像素顯示數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)存儲在X-Y存儲器24中。色彩數(shù)據(jù)存儲在存儲器位置24C上，而灰度級數(shù)據(jù)存儲在存儲器位置24G上。掃描轉換幀都傳遞到視頻處理器16，該視頻處理器16將該數(shù)據(jù)映射到視頻顯示的灰度圖。然后將灰度級圖象幀輸送到視頻監(jiān)測器進行顯示。
聲采樣數(shù)據(jù)的連續(xù)的幀先進-先出地存儲在電影存儲器(cinememory)28中。彩色幀存儲在存儲器位置28C上，而灰度級幀存儲在存儲器位置28G上。在所研究的彩色區(qū)中，對于與顯示像素相對應的彩色數(shù)據(jù)的每個字，都存在對應的與該像素相對應的B-模式灰度級數(shù)據(jù)字。電影存儲器可以是在后臺運行的環(huán)形圖象緩沖器，并且它連續(xù)地捕獲聲采樣數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實時地顯示給用戶。當用戶凍結該系統(tǒng)時，用戶可以看到在前面捕獲在電影存儲器中的聲采樣數(shù)據(jù)。
CPU30經(jīng)過系統(tǒng)控制總線34控制XY存儲器24和電影存儲器28。具體地說，CPU30控制從XY存儲器24到視頻處理器16和電影存儲器28以及從電影存儲器到視頻處理器16和CPU26本身的原始數(shù)據(jù)流。CPU還將灰度圖和彩色圖加載到視頻處理器中。
圖象幀連續(xù)地采集在電影存儲器28中。電影存儲器28提供用于單圖象查看和多圖象環(huán)形查看以及各種控制功能的駐留數(shù)字圖象存儲。在單圖象電影式重放過程中所顯示的研究區(qū)是在圖象采集的過程中所使用的區(qū)域。電影存儲器還作為經(jīng)過主控制器26將圖象轉換為數(shù)字檔案設備(未示)的緩沖器。
優(yōu)選的實施例應用在附圖1-4中所描述的類型的系統(tǒng)以結合標準的多普勒測量應用回波幅值解相關實現(xiàn)體積型血流測量技術。應用單個臨床換能器2，在不知道在其內有要測量的流體體積流的導管的方向的情況下，計算在超聲成像平面中的3-D矢量流場。通常，通過對在導管的橫截面(即，成像平面與導管的交叉面)上的流出平面的流量(即，與成像平面相交的流量)的積分計算體積流量。平面內的速度附圖5顯示了在研究區(qū)(其可以是導管VE，例如血管)中的流體(例如血液)的流動方向FL和換能器2的方向。流體優(yōu)選包含對比試劑CA。將聲束B的多普勒超聲波導引在方向D1和D2(例如，θ＝自垂直于換能器的平面3的軸線A1偏離+20度和-20度)。應用分離的B-模式聲束脈沖激發(fā)實現(xiàn)這種導向控制。方向D1和D2確定了以一些未定的角度與導管VE交叉的成像和掃描平面，該未定的角度例如可以是60度，雖然用戶并不已知該角度?？梢詰迷谄矫鍵P內控制聲束B的任何兩維的方法，比如三角法、相關法等。)可替換的是，應用在美國專利US5,398,216(1995年3月14日授給Hall等人的)中描述的分離孔徑技術來實現(xiàn)聲束B的掃描，在此以引用的方式將該專利結合在本申請中。通過應用分離孔徑方法，束B從不同的角度集中到在導管VE內的同一點上。
在附圖5中x和y軸都在平面IP中。z軸在高度方向上延伸；y軸在軸向方向而x軸在橫向方向上。軸x、y和z相正交。
通過換能器2接收響應控制在方向D1和D2上的聲束從導管VE反向散射的超聲波，并用于產生數(shù)據(jù)，從該數(shù)據(jù)中測量兩相應的“軸向”流體速度V1和V2。然后在面內(即，平面IP)中的流體速度分量Vx和Vy可以計算如下V1=k1→•V→=-Vxsinθ+Vycosθ---(1)]]>V2=k2→•V→=Vxsinθ+Vycosθ---(2)]]>Vx=V2-V12sinθandVy=V1+V22cosθ---(3)]]>注意Vy的測量誤差取決于cos(θ)的倒數(shù)，因此較大的角度將產生更為精確的結果。解相關在流體中的斑點(speckle)解相關率是流速或聲束脈沖重復頻率(PRF)(取決于處理方法)以及換能器2的聲束特性的函數(shù)。從前面所述的類型的色流發(fā)射激發(fā)脈沖中可以計算出解相關率。更具體的說，解相關率基于如零滯后自相關方程(C)所表達的色流功率。通過從一組激發(fā)到另一組激發(fā)隨著時間改變R(O)值來確定解相關率。
解相關率還可以從表示自導管VE反向散射的超聲RF數(shù)據(jù)的灰度級數(shù)據(jù)中計算出。下文將詳細描述基于灰度級數(shù)據(jù)的解相關率，但對于本領域的熟練技術人員來說可以應用該原理從彩色流發(fā)射激發(fā)脈沖中計算解相關率。雖然在前面的文獻(Tuhtill等人，1998)[10]中給出了更詳細的斑點形成的統(tǒng)計分析，在此還是給出要點和結論。
對于充分形成的斑點，在3-D點擴展函數(shù)所確定的采樣空間中必需給出至少10個散射體。超聲強度的空間分布應該為指數(shù)分布，同時其常數(shù)均值與標準偏差(MSD)之比為1.0。脈沖之間(或幀之間)的斑點變化量與斑點模型的二階統(tǒng)計直接相關。
在此描述推導在高度方面(即，垂直于平面IP)的斑點相關函數(shù)，它很容易推廣到在平面IP內的橫向和軸向方向。對于固有形成的斑點，強度相關函數(shù)直接與幅值相關函數(shù)相關，該幅值相關函數(shù)又與點擴展函數(shù)(PSF)自相關成正比。假設聚焦的換能器2，當該聲束進入并穿出該聚焦區(qū)時可以通過具有與深度相關的寬度的高斯函數(shù)(Gaussian)逼近聲束模式。因此，在橫向方向上強度自相關還可以表示為以在所采集的幀之間流體變換的高斯函數(shù)，并且具有δx(z)的標準偏差，取決于深度的聲束相關寬度(BCW)。通過換能器的物理特性可以計算在焦點上的相關寬度，或者應用包含有產生完全形成的斑點的反射體的模型校準更大的范圍的相關寬度。
單個像素位置上的時間歸一化的強度協(xié)方差C具有高斯形狀(Wear 1987)[11]。c(Δt,z)∝exp(-(VxΔt)22σx2(z))---(4)]]>這里Vx是橫向速度，δx(z)是由換能器特點所確定的深度相關的聲束的相關寬度。對于聲束B，脈沖激發(fā)率Rf，從在特定的深度上連續(xù)的A-線中所采集的一組像素的歸一化的協(xié)方差可以曲線擬合為激發(fā)數(shù)n的函數(shù)的高斯函數(shù)。c(n)∝exp(-(Dn/Rf)22)---(5)]]>這里，以秒的倒數(shù)為單位的解相關率的值D等于速度除以該深度的聲束相關寬度。最終結果為通過從一組灰度級A-線或一組灰度級B-掃描幀中對斑點區(qū)的高斯曲線擬合相關函數(shù)可以計算該組的平均速度。解相關率可以通過在Tuthill(1998)[10]和Rubin(1999)[9]中所描述的方法計算或與其它的方法一起計算。還可以從多普勒信息(Adler 1995)[12]和(Chen 1996)[15]中計算解相關，但是在某些應用中不是最優(yōu)選的方法。
對于體積流量，解相關可以延伸到包括所有的3個方向。假設為橢圓的采樣空間，曲線擬合解相關值D與速度分量直接相關，D2=Vx2Bx2+Vy2By2+Vz2Bz2---(6)]]>這里，Bi是在ith方向上的聲束相關寬度(BCW)。應用斑點模型校準BCW，并且該BCW取決于深度和換能器的聚焦參數(shù)，它在整個成像平面中可以測量。3-D流動矢量和體積流量從多普勒測量(或從斑點跟蹤)中確定了在平面內的速度Vx和Vy(即，在平面IP內的速度)后，再通過公式(6)可以計算垂直于掃描平面IP的速度分量幅值Vz。因此從單個換能器2在兩不同的模式下運行的三次測量(例如，兩次多普勒測量和一次灰度級解相關測量)中確定3-D流矢量。應該理解的是獲得Vx和Vy和D的每個值的數(shù)據(jù)采集及其處理方法具有許多形式。
還可以計算穿過導管VE的總的體積流量。高斯定理表明流出閉合面的通量或體積流量等于在閉合體積上的矢量場的散度的積分。因此，總的體積流量F是在橫截面上對法向速度分量的積分，F(xiàn)=∫(V→•n→)ds---(7)]]>通過對Vz進行求和，在與平面IP相交的導管面積上垂直于成像和掃描平面IP的速度分量，可以計算總的體積流量。通過CPU30(附圖4)計算方程式(A)-(H)和(1)-(7)。CPU30產生與方程式(A)-(H)和(1)-(7)相對應的各種參數(shù)。
可以應用各種數(shù)字處理器來執(zhí)行在本說明書中所描述的計算。例如，可應用微處理器或數(shù)字信號處理器以及應用能夠執(zhí)行邏輯和算術運算的專用集成電路。這種處理器可以位于在附圖1-4中所描述的系統(tǒng)的任何地方或位于該系統(tǒng)的外面。實例下面描述的是已通過實驗證實的本發(fā)明的最佳模式。然而，可以相信的是本發(fā)明的其它形式(比如通過色流發(fā)送激發(fā)來測量解相關)也很容易實現(xiàn)某些應用。
GE Logiq 7000臨床掃描器(GE Medical Systems，Milwaukee，WI)帶有7.5MHz線性陣列換能器并應用單焦點。附圖1-4從總體上表示了GE Logic 7000掃描器，換能器2表示7.5MHz線性陣列換能器。去掉所有的內部后處理設置比如邊沿增強和平均的功能，將深度設置為3cm的最小值以獲得30Hz的最大允許的幀速率。輸出功率設置在最低水平以降低由于聲輻射力引起的附加解相關造成的影響。對于B-模式，應用線性灰度級映射，解壓掃描以獲得具有與幅值成比例的像素值的圖象。為進行多普勒采集，應用wall濾波器9的最低的速度和最低的設置。所有的圖象都以8位數(shù)字地存儲在掃描器中，并將其傳遞到CPU30(附圖4)所表示的UNIX計算機。對于在存儲器32中的長度為84.5μm的矩形像素大小以355乘478個像素存儲3cm乘4cm的數(shù)字圖象存儲(附圖4)。
通過在模仿組織的模型(CIRS；計算機成像參考系統(tǒng)，Norfolk，VA)上的每個方向(橫向、高度方向和軸向)中以遞增的間隔采集一系列B-模式掃描來校準換能器的采樣體積。該模型包括致密地包裝的且隨機地分布的散射體以產生充分形成的斑點。線性的微處理器允許在橫向上和在高度方向上間隔50微米和在軸向上間隔25微米。對于每個換能器的方向，采集一組的60幅圖象，然后計算相應的聲束相關的寬度作為深度的函數(shù)。
為進行流管實驗，6.4毫米直徑的分子滲透性薄膜管(SpectrumLaboratories，Laguna Hill，CA)放在充有脫氣水的水池中。注射泵(Harvard Apparatus，Holliston，MA)產生12至20ml/min的流量。必需注意不要將氣泡引入到管道系統(tǒng)中。該系統(tǒng)的出口保持高于水箱10cm以便保持壓力和確保薄膜管道完全膨脹。
模仿血液的流體包括以5∶1水/甘油混合物混合的1-35微米直徑的聚苯乙烯泡沫塑料球。應用較高的濃度來使反向散射體產生更加均勻的斑點。
如附圖5所示固定換能器2以便沿著y軸和x軸獨立地轉動。對于三種不同的體積流量中的每種體積流量換能器都以30度的增量繞y軸旋轉。
對于每種體積流量的設定，首先采集60個灰度級圖象的電影(cine)環(huán)并存儲在存儲器28G中(附圖4)，隨后產生一組多普勒圖象。對于兩個多普勒角度(+/-20°)中的每個角度采集10個不相關的圖象，然后進行平均。
應用在MATLAB(Mathworks，Natwick，MA)中所寫的程序對所采集的圖象進行后處理。對于斑點的解相關，計算每個像素的協(xié)方差函數(shù)并在5乘5的像素窗口上進行平均。然后對協(xié)方差函數(shù)進行歸一化，僅將首先的兩個滯后點用于高斯擬合以確定解相關值。
給定所得的解相關圖象的閾值以確定導管的輪廓線。應用方程式6計算平面外的速度(即，如附圖5所示沿著z軸的速度)，然后在閉合的導管VE中求和以確定總的體積流量。
為說明應用超聲RF信號的功效，在第二設備中使用流管并應用具有如換能器2所使用的5.0MHz的線性陣列的診斷掃描器(Diasonics Ultrasound，Milpitas，CA)。由于電影環(huán)的RF采集具有極低的幀速率，只采集用于解相關處理的M-模式數(shù)據(jù)。這就提供了用于采集A-線的786Hz的激發(fā)速率。結果對于給定的具有單焦點的掃描器設備，GE7.5MHz的換能器在焦點附近對于橫向方向、高度方向和軸向方向上分別具有170微米、280微米和150微米的BCW。附圖6所示為沿著高度/橫向平面15°增量的所計算的BCW和從Bx(橫向方向)和By(高度方向)的擬合的理論橢圓。
應用RF數(shù)據(jù)校準Diasonics換能器2表明對于高度和橫向的兩個方向深度函數(shù)BCW與包絡線所檢測的BCW曲線并沒有很大的差別。正如所預料的那樣，軸線RF信號比包絡線檢測的掃描線更快地解相關。在焦點附近，RF BCW大致為25微米，它為總波長的1/6。相應包絡線信號的BCW為135微米，它與多波長脈沖一致。
應用-20°導向和+20°導向(附圖5)的兩種多普勒圖象來形成可以顯示的綜合總和的平面內的速度幅值圖象。
給定閾值的解相關圖象用作掩碼，對正交的速度在閉合區(qū)中進行求和以計算總的體積流量。選擇解相關掩碼，與多普勒儀不一樣的是，不管流量角度如何都選擇解相關掩碼，因為它產生導管VE管腔的可檢測的圖象。在所屏蔽的橫截面積中所求和的體積流量為0.25ml/s。
對于在本說明書中的算法，用于只需要指向要從給定的閾值的解相關圖象中確定的導管的導管VE的總的橫截面中的某一面積。應用角度依賴性降低了的閾值處理的解相關(Rubin1999)[9]將比多普勒儀產生更可靠的流體邊界輪廓。
應用我們的技術所計算的速度估計量的空間分辨率主要受多普勒信號的限制，該多普勒信號具有比B-模式更低的分辨率。解相關技術在每個B-掃描中的每個像素上或A-線上的每個點上計算，因此，通過數(shù)字采樣率確定空間分辨率。然而，有時需要空間平均來計算精確的相關曲線。
通過精確估計解相關和多普勒頻移所需的連續(xù)的A-線數(shù)量來確定時間分辨率。在大多數(shù)的臨床掃描器中，應用大約10-15激發(fā)線來計算多普勒輸出。注意還可以應用時間相關或斑點跟蹤來確定平面內的速度。
在人體內的血流流量從在劇烈運動時在主動脈內的30l/min到在單個毛細管內的10nl/min(速度在mm/s量級)。我們的技術在可測量的速度范圍上并沒有上限和下限。由于應用“壁噪聲(wall-thump)”濾波器來消除來自相對較低的組織運動的信號，因此應用多普勒儀難于檢測較低的流量。類似地，由于運動原因在軟組織中的解相關確定了下限。
在較高的速度下所分析的解相關分量為零。如果在激發(fā)之間的流動運動超過兩倍的BCW，則信號完全解相關并不能估計任何速度。因此采樣體積的PRF和BCW確定了上限速度最大速度＜PRF*(2BCW)。例如，應用10kHz的激發(fā)速率和400微米的相關寬度，最大的可測量的速度可以為80厘米/秒。在RF分析中，軸線BCW幅值的量級比高度或橫向分量的量級都小。與多普勒測量相反，垂直于聲束的方向的流動是檢測更高的速度的優(yōu)選方向。
優(yōu)選技術還假設所有的都在一個方向上流動。剪流運動或紊流流動都可能造成附加的解相關，這種附加的解相關造成體積流量測量向上偏差。如前文所描述，檢驗δ2能夠指示這種情況以避免不正確地使用本方法。
在解相關測量中不能確定流量符號。因此流出平面的方向仍然保持未知。這是與動脈流相關的問題，在心臟循環(huán)的過程中存在流向反向。確定流向的一種可能的方法是在高度方向上應用1.75D陣列進行相位正交分析。
在本領域的熟練的技術人員將會認識到在不脫離如在所附加的權利要求所確定的本發(fā)明的精神和范圍的前提下可以改變和改進優(yōu)選的實施例。
標號清單聲束B流動方向FL研究區(qū)，例如導管VE掃描平面IP流體體積流量F掃描角度D1，D2解相關率D超聲換能器陣列2聲束形成器4解調器6角旋存儲器7中間處理器8G中間處理器8Cwall濾波器9包絡線檢測器10
參數(shù)估計器11導管11A，11B，11C對數(shù)壓縮12數(shù)據(jù)壓縮模塊13掃描轉換器14視頻監(jiān)測器16視頻監(jiān)測器18聲線存儲器22X-Y存儲器24存儲器位置24C，24G主控制器26存儲器位置28C，28G鍵盤29中央處理單元30隨機存取存儲器32控制總線3權利要求
1.一種測量在所研究的區(qū)域(VE)中的流體的體積流量(F)的超聲系統(tǒng)，所說的系統(tǒng)包括如下組合換能器(2)，將其設置成在確定掃描平面(IP)的發(fā)射方向(D1和D2)上給所說的區(qū)域產生并發(fā)射超聲波，所說的換能器設置成產生響應從所說的區(qū)域中的所說的流體中反向散射的超聲波的換能器信號確定數(shù)據(jù)；以及響應所說的數(shù)據(jù)的處理器(30)，將該處理器設置成計算具有表示在掃描平面中所說的流體流動的速度分量的速度值的流速信號、對所說的數(shù)據(jù)部分進行相關、計算所說的部分的解相關率(D)以及響應所說的速度信號和所說的解相關率估計所說的流體體積流量(F)。
2.一種如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所說的發(fā)射方向由在所說的掃描平面中的至少兩個不同的角度確定。
3.一種如權利要求2所述的系統(tǒng)，其中所說的換能器(2)通過分離孔徑掃描發(fā)射所說的超聲波。
4.一種如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所說的數(shù)據(jù)確定灰度級數(shù)據(jù)，以及其中所說的處理器對所說的灰度級數(shù)據(jù)的所說的部分進行相關并計算所說的灰度級數(shù)據(jù)的所說的部分的解相關率。
5.一種如權利要求4所述的系統(tǒng)，其中所說的灰度級數(shù)據(jù)表示超聲RF數(shù)據(jù)。
6.一種如權利要求4所述的系統(tǒng)，其中所說的灰度級數(shù)據(jù)表示超聲A-線數(shù)據(jù)。
7.一種如權利要求4所述的系統(tǒng)，其中所說的灰度級數(shù)據(jù)表示超聲B-掃描幀。
8.一種如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所說的數(shù)據(jù)確定色流功率。
9.一種如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所說的進行相關的數(shù)據(jù)的所說的部分表示斑點。
10.一種如權利要求9所述的系統(tǒng)，其中所說的斑點包括完全形成的斑點。
11.一種如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所說的處理器通過多普勒計算來計算所說的速度信號。
12.一種如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所說的速度信號包括第一速度信號(Vx)和第二速度信號(Vy)，該第一速度信號(Vx)具有表示在所說的掃描平面內在第一方向上所說的流體的流動速度的第一分量的第一值，該第二速度信號(Vy)具有表示在所說的掃描平面內在第二方向上所說的流體的流動速度的第二分量的第二值，所說的第二方向垂直于所說的的第一方向。
13.一種如權利要求12所述的系統(tǒng)，其中所說的處理器進一步產生響應所說的第一值、所說的第二值和所說的解相關率的第三速度信號(Vz)，該第三速度信號(Vz)具有表示在垂直于所說的掃描平面上所說的流體的流動速度的第三分量的第三值。
14.一種如權利要求12所述的系統(tǒng)，其中所說的換能器信號確定一聲束(B)，該聲束(B)在所說的第一方向上確定第一束相關寬度(Bx)、在所說的第二方向上確定第二束相關寬度(By)以及在所說的第三方向上確定第三束相關寬度(Bz)，其中所說的處理器(30)至少部分地響應所說的第一、第二和第三束相關寬度產生所說的第三速度信號。
15.一種如權利要求13所述的系統(tǒng)，其中所說的處理器通過在所說的掃描平面與所說的區(qū)域相交的橫截面面積上對所說的第三值進行求和來估計所說的流體的體積流量。
16.一種如權利要求14所述的系統(tǒng)，其中所說的處理器通過在所說的掃描平面與所說的區(qū)域相交的橫截面面積上對所說的第三值進行求和來估計所說的流體的體積流量。
17.一種如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所說的流體包括血液，以及所說的區(qū)域包括血管(VE)。
18.一種如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所說的流體包括對比試劑(CA)。
19.一種在超聲系統(tǒng)中測量在所研究的區(qū)域(VE)中的流體的體積流量(F)的方法，所說的方法包括在確定掃描平面(IP)的發(fā)射方向(D1和D2)上給所說的區(qū)域發(fā)射超聲波；響應從所說的區(qū)域中的流體中反向散射的超聲波產生數(shù)據(jù)信號確定數(shù)據(jù)；產生響應所說的數(shù)據(jù)并具有表示在掃描平面中所說的流體的速度分量的速度值的流速信號；對所說的數(shù)據(jù)部分進行相關；計算所說的部分的解相關率(D)；響應所說的速度信號和所說的解相關率估計所說的流體體積流量(F)。
20.一種如權利要求19所述的方法，其中所說的發(fā)射方向由在所說的掃描平面中的至少兩個不同的角度確定。
21.一種如權利要求20所述的方法，其中所說的發(fā)射包括分離孔隙掃描。
22.一種如權利要求19所述的方法，其中所說的數(shù)據(jù)確定灰度級數(shù)據(jù)；以及其中所說的相關包括對所說的灰度級數(shù)據(jù)的部分進行相關，以及其中所說的計算解相關率包括計算所說的灰度級數(shù)據(jù)的所說的部分的解相關率。
23.一種如權利要求22所述的方法，其中所說的灰度級數(shù)據(jù)表示超聲RF數(shù)據(jù)。
24.一種如權利要求22所述的方法，其中所說的灰度級數(shù)據(jù)表示超聲A-線數(shù)據(jù)。
25.一種如權利要求22所述的方法，其中所說的灰度級數(shù)據(jù)表示超聲B-掃描幀。
26.一種如權利要求19所述的方法，其中所說的數(shù)據(jù)確定色流功率。
27.一種如權利要求19所述的方法，其中所說的進行相關的數(shù)據(jù)的所說的部分表示斑點。
28.一種如權利要求27所述的方法，其中所說的斑點包括完全形成的斑點。
29.一種如權利要求19所述的方法，其中所說的產生速度信號包括通過多普勒計算來計算所說的速度信號。
30.一種如權利要求19所述的方法，其中所說的速度信號包括第一速度信號和第二速度信號，該第一速度信號具有表示在所說的掃描平面內在第一方向上所說的流體的流動速度的第一分量的第一值，該第二速度信號具有表示在所說的掃描平面內在第二方向上所說的流體的流動速度的第二分量的第二值，所說的第二方向垂直于所說的的第一方向。
31.一種如權利要求30所述的方法，其中所說的產生速度信號進一步包括產生響應所說的第一值、所說的第二值和所說的解相關率的第三速度信號，該第三速度信號在垂直于所說的掃描平面上具有表示所說的流體的流動速度的第三分量的第三值。
32.一種如權利要求31所述的方法，其中所說的超聲波形成了一聲束，該聲束在所說的第一方向上確定第一束相關寬度、在所說的第二方向上確定第二束相關寬度以及在所說的第三方向上確定第三束相關寬度，其中至少部分地響應所說的第一、第二和第三束相關寬度產生所說的第三速度信號。
33.一種如權利要求31所述的方法，其中所說的估計包括在所說的掃描平面與所說的區(qū)域相交的橫截面面積上對所說的第三值進行求和。
34.一種如權利要求32所述的方法，其中所說的估計包括在所說的掃描平面與所說的區(qū)域相交的橫截面面積上對所說的第三值進行求和。
35.一種如權利要求19所述的方法，其中所說的流體包括血液，以及所說的區(qū)域包括血管。
36.一種如權利要求19所述的方法，其中所說的流體包括對比試劑。
全文摘要
通過超聲系統(tǒng)測量在導管(VE)內的流體體積流量。從在導管中的流體中反向散射的超聲波產生數(shù)據(jù),從該數(shù)據(jù)中計算具有表示在掃描平面(IP)中流體流動速度分量(Vx和Vy)的速度值。對灰度級數(shù)據(jù)進行相關,并計算該數(shù)據(jù)的解相關率(D)。響應該速度信號和解相關率(D)估計流體體積流量(F)。
文檔編號G01S15/89GK1332360SQ0110332
公開日2002年1月23日 申請日期2001年1月31日 優(yōu)先權日2000年1月31日
發(fā)明者J·M·魯賓, J·B·福爾克斯, T·A·圖蒂爾, A·L·哈爾 申請人:Ge醫(yī)療系統(tǒng)環(huán)球技術有限公司