一種超聲非線性成像方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種超聲成像技術(shù)，具體涉及一種超聲非線性成 像方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 超聲影像技術(shù)具有無電離輻射、無侵入傷害、可實時成像、檢查費用低等優(yōu)點，在 臨床診斷與治療中得到了非常廣泛的應(yīng)用，適用于從心血管到肝臟、腎臟等腹部器官以及 婦產(chǎn)科、乳腺等全身多部位的診斷。
[0003] 長期以來，醫(yī)學(xué)超聲系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)都是簡化的線性聲學(xué)物理模型。這一模型認(rèn) 為聲源的發(fā)射頻率是介質(zhì)中出現(xiàn)的唯一頻率成分以及聲源照射強度的增加將導(dǎo)致介質(zhì)中 任一點的強度成線性增長。在這兩個假設(shè)下不再考慮超聲波的非線性效應(yīng)。
[0004] 但是隨著醫(yī)學(xué)超聲系統(tǒng)所使用的頻率和強度的不斷提高，醫(yī)學(xué)超聲中已經(jīng)出現(xiàn)不 可忽視的非線性效應(yīng)。實際上，所有的傳聲介質(zhì)包括生物組織都具有一定程度的非線性特 性。近幾年出現(xiàn)了基于超聲波非線性傳播過程中產(chǎn)生高次諧波現(xiàn)象的超聲影像方法，即組 織諧波成像（THI :tissue harmonic Imaging)。針對非線性傳播過程中產(chǎn)生的高次諧波分 量，將其提取成像。
[0005] 除諧波滋生以外，超聲波在介質(zhì)內(nèi)部傳播過程中發(fā)生的非線性效應(yīng)還有波形畸變 和非線性附加衰減。即發(fā)送至被檢體內(nèi)的超聲波在傳播過程中波形發(fā)生失真，從頻譜上看， 高次諧波分量逐漸增強。與此同時，由于超聲波能量向高次諧波轉(zhuǎn)移，從基波能量來看，除 了一般的線性衰減以外，還附帶了額外的非線性附加衰減。非線性效應(yīng)的強弱除與聲源所 發(fā)出超聲波的頻率、強度等因素有關(guān)外，還與介質(zhì)所固有的非線性聲參量的大小以及空間 分布有關(guān)。
[0006] 有大量研宄證實，生物組織所固有的非線性聲參量對生物組織在組份、結(jié)構(gòu)及病 理狀態(tài)方面的變化更為敏感。然而基于線性理論假設(shè)的醫(yī)學(xué)超聲設(shè)備無法對組織中的非線 性聲參量的空間分布進行有效的探查。對于組織內(nèi)部非線性聲參量的空間和時間分布的有 效成像，在臨床上將會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟和社會效益。
[0007] 在美國專利No. 4771786中，使用多次發(fā)射具有不同強度的脈沖來對與累積的非 線性效應(yīng)有關(guān)的變量進行成像。沿掃描線在不同深度上發(fā)射具有不同強度的超聲波脈沖， 并接收其回波。通過對回波的處理，計算出一個與組織內(nèi)部非線性效應(yīng)相關(guān)的一個變量。將 此變量的幅值沿掃描線按深度方向顯示在顯示器上，以此作為物體內(nèi)部非線性效應(yīng)強弱分 布的反映。
[0008] 在 M. Fatemi 等"Real-time Assessment of The Parameter of Nonlinearity in Tissue Using "Nonlinear Shadowing""中，以 M. Nikoonahad 和劉東權(quán)等"Pulse-echo single frequency acoustic nonlinearity parameter (B/A)measurement" 中提出的有限 振幅超聲波非線性傳播的基波近似解析解為基礎(chǔ)，沿掃描線發(fā)射兩次強度差別極大的超聲 激勵脈沖，增益補償后的基波回波包絡(luò)進行相減并作為成像結(jié)果顯示出來。其方法假設(shè)小 振幅信號的非線性效應(yīng)可忽略，因此顯示的結(jié)果就僅包含與介質(zhì)內(nèi)部非線性聲參量大小分 布相關(guān)的非線性效應(yīng)強弱分布。
[0009] 美國專利No. 4771786中，由于需要在不同深度上使用不同的強度多次發(fā)射并接 收，需要較長的數(shù)據(jù)采集、存儲以及處理的時間。不利于醫(yī)學(xué)超聲的實時成像。且其成像結(jié) 果是與被檢物體內(nèi)超聲波衍射、散射、回波形成以及非線性效應(yīng)等相關(guān)的若干變量，無法準(zhǔn) 確反映被檢物體非線性聲參量的空間分布。M. Fatemi和J. F. Greenleaf的方法需要極高電 壓的超聲激勵脈沖，導(dǎo)致醫(yī)學(xué)超聲影像設(shè)備的MI (機械指標(biāo)）無法滿足人體安全性相關(guān)要 求從而在醫(yī)學(xué)超聲影像系統(tǒng)上無法實現(xiàn)。而且目前醫(yī)學(xué)超聲影像設(shè)備發(fā)射的超聲波并不滿 足小振幅信號假設(shè)，導(dǎo)致此方法的成像原理存在較大缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)缺陷，提供一種能夠針對超聲波在介質(zhì)內(nèi)傳播的 非線性效應(yīng)進行成像的方法和裝置，能對生物組織內(nèi)部非線性聲參量的空間分布進行實時 成像。
[0011] 為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：
[0012] 一種超聲非線性成像系統(tǒng)，包括脈沖發(fā)生器和激勵脈沖電壓放大電路，其中，脈沖 發(fā)生器發(fā)送的激勵電壓至少包括第一激勵電壓和第二激勵電壓，第一激勵電壓和第二激勵 電壓的大小不同，且不同激勵電壓的發(fā)送變化周期小于10微秒級；所述系統(tǒng)還包括模擬放 大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，接收與上述發(fā)射電壓快速變化的激勵脈沖相對應(yīng)的回波信號，進行相 應(yīng)的增益放大后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；前端控制器，對超聲前端的發(fā)射部分和接收部分分別進行 實時控制，使激勵脈沖的發(fā)射電壓和相對應(yīng)的回波信號的放大增益成一定的比例關(guān)系；存 儲器，放大后的回波信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換、波束形成、正交解調(diào)，然后進入存儲器，不同激勵電 壓產(chǎn)生的回波信號分別存儲；非線性預(yù)處理單元，輸入的不同激勵電壓增益比的回波包絡(luò) 信號首先進行針對非線性效應(yīng)的深度（時間）補償?shù)确蔷€性預(yù)處理；非線性處理單元得到 非線性預(yù)處理后的包絡(luò)信號，通過對數(shù)變換、減法處理等運算生成與上述被檢體內(nèi)非線性 聲參量分布相關(guān)的非線性圖像。
[0013] 本發(fā)明還提供了一種超聲非線性成像方法，包括以下步驟：
[0014] 將激勵電壓變化的超聲波發(fā)送入被檢體內(nèi)，激勵電壓至少變化兩次，激勵電壓的 變化周期小于10微秒級；接收分別與上述至少兩次的發(fā)送相對應(yīng)的回波信號；針對接收的 信號，通過控制系統(tǒng)整體增益使回波信號放大增益與激勵電壓之間滿足一定比例關(guān)系；采 用放大增益控制后的回波包絡(luò)信號，通過非線性預(yù)處理、對數(shù)變換以及減法處理來消除被 檢體內(nèi)線性衰減、回波形成能力、超聲波衍射等的影響，生成在上述被檢體內(nèi)的超聲非線性 圖像。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：在本超聲波診斷裝置中，采用在同一位置發(fā) 射兩次具有相同頻率和不同激勵電壓的超聲波脈沖，針對這兩次發(fā)射接收與其對應(yīng)的回波 信號。接收到的回波信號會根據(jù)激勵電壓的峰峰值之比，進行相應(yīng)比例的系統(tǒng)整體增益放 大。通過對前后兩次激勵電壓與整體增益成一定比例的回波信號之包絡(luò)在進行對數(shù)變換之 后進行相減處理，去掉回波包絡(luò)信號中與系統(tǒng)增益、介質(zhì)的聲阻抗、散射特性、衍射效應(yīng)等 相關(guān)的分量，提取出基波回波包絡(luò)信號中只與被檢體內(nèi)非線性效應(yīng)強弱分布有關(guān)的信息。 采用計算出的信號強度的差，生成針對掃描剖面的各位置通過亮度表示非線性效應(yīng)強度的 非線性圖像。因此，能夠生成非線性圖像，能夠直觀且足夠敏感的進行例如肝臟組織富脂肪 化的程度、乳房脂肪組織和乳腺組織的分布、早期腫瘤的診斷等的評價。
[0016] 并且，能夠以并列顯示、重疊顯示等期望的方式顯示一般的超聲波B模式圖像和 非線性圖像。因此，在觀察圖像時，能夠使用通常的超聲波B模式圖像對組織結(jié)構(gòu)進行容 易且快速的定位，使用非線性圖像對與非線性效應(yīng)強度相對應(yīng)的超聲波的強弱情況進行容 易、快速的觀察或診視。進而能夠通過與非線性效應(yīng)強度相關(guān)的彩色顯示，能夠提供更直 觀、視覺敏感度高且更定量的非線性圖像。
【附圖說明】。
[0017] 圖1本發(fā)明構(gòu)建的超聲診斷成像裝置系統(tǒng)實施例的原理框圖。
[0018] 圖2是本發(fā)明實施方案中成像函數(shù)值與被檢體非線性聲參量的函數(shù)關(guān)系。
[0019] 圖3是本發(fā)明實施例中的流程圖。
[0020] 圖4是本發(fā)明實施例中激勵脈沖波形圖。
[0021] 圖5是上述實施例中接收到的回波信號幀結(jié)構(gòu)。
[0022] 圖6是上述實施例中一種可能的合成顯示方式示意圖。
[0023] 圖7是上述實施例中色彩映射表示意圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面結(jié)合試驗例及【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的詳細描述。但不應(yīng)將此理解 為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實施例，凡基于本
【發(fā)明內(nèi)容】
所實現(xiàn)的技術(shù)均屬于本 發(fā)明的范圍。
[0025] 本發(fā)明的一個實施例，提供了一種超聲非線性成像方法，將激勵電壓變化的超聲 波發(fā)送入被檢體內(nèi)，激勵電壓至少變化兩次，激勵電壓的變化周期小于10微秒級；接收分 別與上述至少兩次的發(fā)送相對應(yīng)的回波信號；針對接收的信號，通過控制系統(tǒng)整體增益使 回波信號放大增益與激勵電壓之間滿足一定比例關(guān)系；采用放大增益控制后的回波包絡(luò)信 號，通過非線性預(yù)處理、對數(shù)變換以及減法處理來消除被檢體內(nèi)線性衰減、回波形成能力、 超聲波衍射等的影響，生成在上述被檢體內(nèi)的超聲非線性圖像。
[0026] 本發(fā)明提供的一個超聲非線性成像系統(tǒng)的具體實施例，如圖1示出。如該圖所示， 本超聲波診斷裝置主體100包括：發(fā)射/接收開關(guān)101、電壓放大電路102、脈沖發(fā)生器103、 前端控制器104、模擬放大器105、模數(shù)轉(zhuǎn)換器107、波束形成/濾波/正交解調(diào)/包絡(luò)檢波 107、存儲器109、圖像生成單元IKKB模式處理單元111、非線性預(yù)處理單元112、非線性處 理單元113、圖像合成顯示單元114、中心控制處理器108。裝置內(nèi)的前端控制器104等有時 是由FPGA、集成電路等硬件構(gòu)成，但有時也是軟件上被模塊化的軟件程序。
[0027] 以下針對各組成要素的功能說明他們直接的連接關(guān)系和信號傳遞關(guān)系。
[0028] 超聲波探頭21連接到發(fā)射/