專利名稱：利用互調(diào)分量信號的非線性超聲波診斷成像的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)療診斷成像系統(tǒng)，尤其涉及其中將發(fā)射信號的非線性互調(diào)分量用于成像的超聲波診斷成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，利用非線性信號的成像在診斷超聲中具有兩個主要的用途。一個用途是組織諧波成像，在成像過程中在線性(通常為正弦波)發(fā)射波形穿過人體時可以允許其經(jīng)歷自然畸變。該畸變引起非線性諧波成分的出現(xiàn)，最顯著的非線性諧波成分通常位于基本發(fā)射頻率的二次諧波處。過濾接收到的回波，從而使非線性成分與線性成分分離。一種優(yōu)選的分離技術(shù)稱作脈沖反轉(zhuǎn)，如(Hwang等人的)美國專利5951478中所述的技術(shù)。由于多路徑散射，非線性成分生成的圖像干擾程度低，因此需要這種圖像。
非線性成像的第二種重要用途是超聲波造影劑成像。能夠設(shè)計造影劑的微泡，從而在被超聲波聲穿透時非線性振蕩或者分裂。這種振蕩或者破裂使得從微泡返回的回波富有非線性成分。按照與組織諧波信號類似的方式接收并處理回波，從而使微泡回波的非線性成分分離。利用這些回波生成的圖像能夠清晰地將包含造影劑的血流和脈管系統(tǒng)分段。
美國專利6440075(Averkiou)描述了一種非線性成像技術(shù)，其增強(qiáng)了非線性信號成分的產(chǎn)生。這是通過發(fā)射具有兩個主頻率的波形實現(xiàn)的。當(dāng)該波形穿過組織或者遇到微泡時，將按照上述方式出現(xiàn)每個發(fā)射頻率的非線性成分。此外，兩個傳送頻率成分互調(diào)，從而出現(xiàn)非線性和與差頻率成分。接收并利用這兩種非線性信號，從而形成利用兩種非線性機(jī)構(gòu)增強(qiáng)的圖像。該專利給出了能夠形成并定位和與差頻率的幾種方式的實例，例如將換能器通帶側(cè)邊用于主發(fā)射頻率以及將中心用于差與諧波頻率?！?75專利的圖7給出了在換能器通帶的側(cè)邊發(fā)射頻率f1和f2以及在通帶的中心接收回波成分f1-f2和2f2的實例。有利的是，還可以由數(shù)字存儲的發(fā)射波形生成所示的發(fā)射技術(shù)。
為了在人體更深的位置成像，需要較低的頻率來抵消取決于深度的頻率衰減的影響，這對于深度腹部成像而言通常是必要的，例如對肝臟成像。按照’075專利所示，互調(diào)分量通常位于通帶的中心或者更高的位置，并且因此能夠受到較深深度成像中相當(dāng)大的衰減的影響。這種衰減會降低接收到的回波的信噪特性，并且因此降低圖像的診斷質(zhì)量。因此，希望能夠按照在人體較深的深度處成像時生成高度診斷圖像的方式采用互調(diào)非線性成像。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的原理，描述了利用互調(diào)分量在較深深度非線性成像的方法和裝置。發(fā)射波形為方波，其僅表示出發(fā)射波形的奇次諧波。有利的是，該發(fā)射波形在較低主頻率成分的二次諧波處表示出低信號電平。以很大程度上未被發(fā)射波形的成分損害的頻率接收非線性差信號成分和較低主頻率的二次諧波。


在附圖中圖1表示了根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)建的超聲波診斷成像系統(tǒng)的簡圖。
圖2A-5B表示了根據(jù)本發(fā)明的原理用于生成非線性回波信號成分的波形。
圖6A和6B表示了利用圖3A和5A的回波信號進(jìn)行脈沖反轉(zhuǎn)分離的結(jié)果。
圖7A和7B表示了根據(jù)本發(fā)明另一實施例的兩種不同調(diào)制的發(fā)射方波。
圖7C表示了圖7A和7B的發(fā)射方波譜線以及接收到的回波信號的非線性成分。
具體實施例方式
首先參照圖1，其中表示了根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)建的超聲波診斷成像系統(tǒng)。圖1的超聲系統(tǒng)利用了發(fā)射器16，其發(fā)射多頻波束，以用于在所要成像的物體內(nèi)非線性生成差頻信號。該發(fā)射器通過發(fā)射/接收開關(guān)14而被耦合到掃描頭10的陣列換能器12的元件上。該發(fā)射器響應(yīng)于多個控制參數(shù)，這些參數(shù)確定了發(fā)射波束的特性，如圖所示?？刂贫囝l波束的兩個主頻率f1和f2，這兩個頻率確定了差(f1-f2)頻成分所處的頻率。還受到控制的是兩個發(fā)射頻率成分的振幅或強(qiáng)度a和b，從而使得發(fā)射波束具有(bsin(2πf1t)+asin(2πf2t))的形式。然而，作為由非線性作用產(chǎn)生的差信號，接收到的差信號成分(f1-f2)的振幅c不是a和b強(qiáng)度的線性分量。
在圖1中，該換能器陣列12從人體接收包含差頻成分的回波，該差頻成分在換能器通帶內(nèi)。這些回波信號通過開關(guān)14耦合到波束生成器18，該波束生成器使來自不同元件的回波信號適當(dāng)延遲，然后將它們組合起來，從而沿著波束從淺到較深的深度形成差信號序列。優(yōu)選的是，該波束生成器為數(shù)字波束生成器，其作用在數(shù)字化回波信號上，從而從近到遠(yuǎn)景深生成離散相干數(shù)字回波信號序列，該波束生成器可以是多線波束生成器，其響應(yīng)于單一發(fā)射波束沿著多個空間上不同的接收掃描線生成兩個或多個回波信號序列。將波束生成的回波信號耦合到非線性信號分離器20。該分離器20可以是帶通濾波器，其傳遞和或差通帶66、76，而相對排除發(fā)射帶62、64或72、74(衰減)。在所示實施例中，該分離器20為脈沖反轉(zhuǎn)處理器，其利用脈沖反轉(zhuǎn)技術(shù)將包括差頻成分的非線性信號分離。因為利用非線性作用來產(chǎn)生差頻信號，所以可以有利地通過脈沖反轉(zhuǎn)處理來使它們分離。對于脈沖反轉(zhuǎn)而言，該發(fā)射器具有另一個可變的發(fā)射參數(shù)，其為如圖所示的發(fā)射脈沖的相位、極性或者振幅。該超聲系統(tǒng)發(fā)射具有不同發(fā)射極性、振幅和/或相位的兩個或多個波束。對于所示的兩個脈沖實施例而言，將響應(yīng)于第一發(fā)射脈沖而接收到的掃描線回波存儲在Line1緩存器22中。將響應(yīng)于第二發(fā)射脈沖而接收到的掃描線回波存儲在Line2緩存器24中，然后利用加法器26將這些脈沖與Line1緩存器中的空間對應(yīng)回波組合起來?？蛇x的是，可以直接將回波的第二掃描線與所存儲的第一掃描線的回波組合起來，而不用緩存。由于發(fā)射脈沖的不同相位或者極性，異相基本(線性)回波成分將相互抵消，并且同相的非線性差頻成分將組合起來，從而相互增強(qiáng)，由此生成增強(qiáng)并分離的非線性差頻信號。濾波器30可以進(jìn)一步過濾該差頻信號，從而去除不需要的信號，例如由諸如抽取之類的操作而產(chǎn)生的信號。然后利用探測器32探測該信號，該探測器可以是振幅或相位探測器。然后利用信號處理器34為隨后的灰度級、多普勒或其它超聲顯示處理該回波信號，然后利用圖像處理器36為形成二維、三維、光譜、參量或其它顯示進(jìn)一步處理該回波信號。在顯示器38上顯示所生成的顯示信號。
根據(jù)本發(fā)明的原理，發(fā)射器發(fā)射具有兩個主發(fā)射頻率f1和f2的波形，其中f2＝2f1。這兩個發(fā)射頻率會在人體內(nèi)互調(diào)，這是由于非線性作用造成的，例如該波形穿過組織或者被造影劑微泡反射。這種互調(diào)生成了頻率為兩個主頻率之和以及兩個主頻率之差處的成分。由于選定的主頻率，差頻率f2-f1＝f1包括發(fā)射頻率較低的非線性信號成分。因為較低的發(fā)射頻率會表現(xiàn)出最大的穿透深度，所以非線性信號成分將從能夠接收到最低頻率f1的最大深度返回。因此，有助于在較大深度處成像。
圖2A到6B表示了這種方法的實例。圖2A是表現(xiàn)出第一調(diào)制特性的第一發(fā)射波形50的圖形時域圖，在本實例中該第一調(diào)制特性為特定的相位特性。該圖的橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為振幅。發(fā)射波形50具有圖2B所示的兩個主頻率成分。該圖形表示了發(fā)射波形50的頻譜。該圖的橫坐標(biāo)可以看作以MHz為單位的頻率標(biāo)度或者諧波的階，縱坐標(biāo)為振幅。該頻譜表示了第一發(fā)射波形在1MHz附近具有第一主頻成分52，并且在2MHz附近具有第二主頻成分53。可以看出該第二主頻成分53為第一主頻成分的值的兩倍。可選擇的是，能夠?qū)⒃擃l譜視為具有兩個主基頻成分，其中較高的頻率成分處于較低的頻率成分的二次諧波頻率。
當(dāng)將第一發(fā)射波形引導(dǎo)到非線性媒質(zhì)或者目標(biāo)時，如圖3A所示，換能器12使回波54返回并接收該回波。該回波具有如圖3B所示頻譜響應(yīng)。該頻譜包括基頻成分55、56和57。為了便于說明，將響應(yīng)特性55稱作基波響應(yīng)，將特性56稱作二次諧波響應(yīng)，并且將響應(yīng)特性57稱作三次諧波響應(yīng)?；ǔ煞?5包括來自發(fā)射成分52的線性響應(yīng)，還包括來自發(fā)射頻率的互調(diào)分量的非線性響應(yīng)。在這種情況下，互調(diào)分量為差頻f1-f2，在本實例中如果f2＝2f1，則該差頻為f1。二次諧波成分56為來自發(fā)射成分53的線性響應(yīng)和來自發(fā)射成分52的非線性響應(yīng)的二次諧波。第三諧波成分57僅為非線性響應(yīng)。該成分包括發(fā)射頻率成分52的三次諧波成分和互調(diào)頻率的和f1+f2，在這種情況下f1+f2＝3f1。使該回波信號54被波束形成并且存儲在Line1緩存器22中。
如圖4A所示，將第二發(fā)射波形60發(fā)射到與第一波形50相同的目標(biāo)或媒質(zhì)。與第一發(fā)射波形不同地調(diào)制該第二發(fā)射波形，在本實例中由不同的相位特性來調(diào)制。圖4B表示了第二發(fā)射波形的頻譜特性62，所示的該頻譜特性與第一發(fā)射波形的頻譜特性相同，并且具有第一和第二主頻率成分。圖5B中表示了響應(yīng)于第二發(fā)射波形從媒質(zhì)或目標(biāo)接收到的回波64，所示的該回波不同于來自第一發(fā)射波形的回波54，這是因為波形的相位調(diào)制不同?；夭ㄐ盘?4與回波54具有基本上相同的頻譜特性，如圖5B中的頻譜響應(yīng)曲線65、66和67所示。來自第二發(fā)射波形的回波包括具有發(fā)射波形的第一和第二主頻成分的基本成分、第一(較低)主頻成分的三次諧波、第一和第二主頻成分的非線性(二次)諧波，以及頻率為1MHz的兩個主頻成分的差信號互調(diào)分量。使該回波信號64被波束形成并且存儲在Line2緩存器24中。
通過利用加法器26將兩個存儲的回波相加，由脈沖反轉(zhuǎn)將回波信號的非線性成分分離。兩個信號的組合使線性成分相互抵消，這是由于發(fā)射波形的不同調(diào)制造成的，并且可以使兩個回波的非線性成分相互增強(qiáng)。對于本實例而言，這種組合的結(jié)果是圖6A所示的信號70。圖6B表示了這種信號的頻譜，并且該頻譜具有三個不同的成分71、72和73。所示該頻譜包括處于f1頻率的二次和三次諧波頻率的第一主頻成分f1的非線性成分2f1和3f1。該頻譜還具有處于f1成分的基本頻率的非線性成分，該頻率為第一和第二主頻成分差頻率，另一成分在3f1，它是第一和第二主頻率成分的和頻率。當(dāng)將發(fā)射波形發(fā)射到大體的景深并且從該景深接收回波時，能夠預(yù)料到接收到的回波受到取決于深度的頻率衰減的顯著影響。這將造成較高的二次和三次諧波頻率的顯著衰減，從而導(dǎo)致暗淡的或有噪聲的諧波圖像。然而，差頻成分處于與第一頻率成分一樣低的頻率f1，這是因為利用了f2＝2f1。即2f1-f1＝f1。因為該成分是在物體內(nèi)產(chǎn)生的非線性互調(diào)分量，所以其不會受到基本(線性)f1發(fā)射信號本身的雜亂回波的影響。差頻成分的頻率衰減不會大于f1頻率的頻率衰減，從而能夠生成來自更大景深的診斷上更有效的圖像，這是因為能夠利用f1、2f1和3f1頻率的成分來構(gòu)成非線性圖像。此外，能夠組合不同的頻率成分f1、2f1和3f1來降低美國專利申請第60/xxx,xxx中所述的圖像中的斑點偽影。
當(dāng)在相位和振幅方面一個脈沖接一個脈沖地調(diào)制發(fā)射波時，將產(chǎn)生以下的頻譜。第一諧波頻率范圍包括發(fā)射頻率52和62的非線性基本成分加上53-52和63-62的差頻。第二諧波頻率范圍包括頻率53的非線性基本成分和頻率52的第二諧波。第三諧波響應(yīng)包括頻率52的第三諧波以及頻率52與53的和頻率。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，可以由方波形生成具有第一和第二主頻率成分的發(fā)射波形。圖7A和7B表示了第一和第二發(fā)射波形，它們是不同調(diào)制的方波形80和82。所示的這些波形相互具有180°異相，從而生成回波，由該回波通過脈沖反轉(zhuǎn)可以使非線性成分分離。利用價格低廉的切換發(fā)射器能夠生成該方波形，在該發(fā)射器中通過在不同電壓軌道之間進(jìn)行切換來生成輸出。這種發(fā)射器相對于對數(shù)字存儲的波形進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換的發(fā)射器而言制造成本更低，其能夠生成具有特定波形的精確修整的發(fā)射信號。因此，本實施例非常適合在具有簡單切換發(fā)射器的廉價超聲系統(tǒng)中使用。
方波信號的明顯切換造成該信號包含大量諧波頻率成分。方波會生成具有處于奇次諧波頻率的主頻成分的發(fā)射信號。圖7C以實線表示了方波信號的頻譜，如圖所示其具有處于基本(一次諧波)頻率f1的第一主頻成分84和處于三次諧波頻率3f1的第二主頻成分86，從而使中間的二次諧波頻率基本上不存在發(fā)射信號頻率。由非線性媒質(zhì)或目標(biāo)造成的第一和第二主頻成分84和86的互調(diào)，將在返回回波信號中生成處于中間二次諧波頻率的差頻成分(3f1-f1＝2f1)，如虛線通帶88所示。通帶88還包括具有通帶84中的頻率的二次諧波。通過利用具有通帶88的濾波器進(jìn)行帶通濾波或者通過脈沖反轉(zhuǎn)分離能夠使接收到的差信號分離，這將進(jìn)一步使接收到的線性信號成分衰減。因此，接收到并且已分離的非線性回波信號基本上沒有受到雜亂回波和發(fā)射信號的其它成分的損害。
總之，通帶88包括通帶84中的發(fā)射頻率成分的二次諧波(2f1)和通帶84和86中成分的差頻率3f1-f1。當(dāng)采用相位(或極性)和振幅調(diào)制時，接收到的成分包括頻率處于發(fā)射帶84中的基頻成分；中間帶88中的二次諧波(2f1)和差頻成分(3f1-f1)；以及更高通帶86中的三次諧波(3f1)成分。
權(quán)利要求
1.一種由非線性信號生成超聲圖像的方法，包括利用陣列換能器向目標(biāo)位置發(fā)射方波，每個方波傳送第一和第二主頻成分，其中該第二主頻成分為第一主頻成分頻率的三倍；響應(yīng)于方波接收回波信號；響應(yīng)于所發(fā)射的方波形成相干回波信號，包括第一和第二主頻成分的差頻信號；分離第一和第二主頻成分的差頻信號，而相對排除具有主頻成分的線性信號成分；以及顯示由差頻信號形成的圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中發(fā)射還包括發(fā)射基頻的奇次諧波，而相對排除處于基頻的二次諧波頻率的信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中接收還包括接收一次和三次諧波頻率的互調(diào)分量信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中接收還包括接收處于基頻的第二諧波頻率的一次和三次諧波頻率的互調(diào)分量。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中接收還包括接收由第一和第二主頻成分穿過非線性媒質(zhì)或者造影劑微泡的非線性特性中的至少一個而形成的互調(diào)分量信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中發(fā)射還包括利用在離散的電壓電平之間切換輸出信號的切換發(fā)射器發(fā)射方波。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中發(fā)射還包括發(fā)射第一和第二不同調(diào)制的方波；其中分離還包括通過脈沖反轉(zhuǎn)來分離非線性回波信號成分。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中分離還包括通過帶通濾波來分離第一和第二主頻成分的差頻信號。
9.一種由非線性信號生成超聲圖像的方法，包括發(fā)射第一和第二不同調(diào)制的超聲波，每個所發(fā)射的波包括第一和第二主頻成分，其中該第二主頻成分為第一主頻成分的頻率的兩倍；響應(yīng)于所發(fā)射的波接收回波信號；響應(yīng)于接收到的回波信號形成相干回波信號，包括第一和第二主頻成分的差頻信號；通過脈沖反轉(zhuǎn)處理來分離第一和第二主頻成分的差頻信號，而相對排除第一主頻成分的線性信號成分；以及顯示由差頻信號形成的圖像。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中形成相干回波信號還包括形成第一和第二主頻成分的互調(diào)分量信號。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中形成互調(diào)分量信號還包括形成處于第一主頻成分的頻率的差信號。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中分離差頻信號還包括分離第一主頻成分的頻率處的非線性信號，而相對排除處于第一主頻成分的頻率的線性信號。
全文摘要
一種超聲成像系統(tǒng)發(fā)射包含第一和第二主頻成分的波形，通過穿過非線性媒質(zhì)或者與造影劑微泡相互作用互調(diào)該第一和第二主頻成分，從而生成差頻成分。在所示實施例中，發(fā)射波形是僅具有奇次諧波成分的方波。通過非線性作用使一次和三次諧波成分互調(diào)，從而生成處于二次諧波頻率的差頻信號。
文檔編號G01S7/52GK1977186SQ200580022107
公開日2007年6月6日 申請日期2005年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月30日
發(fā)明者S·詹森, M·阿弗基歐 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司