多波束聚焦发射的超声成像方法、装置、设备和介质

技术领域

本发明涉及超快速超声成像技术领域，尤其是涉及一种多波束聚焦发射的超声成像方法、装置、设备和介质。

背景技术

超声是当前主流的临床成像技术，具备无辐射、成本低的特点。当前的超声成像往往使用发射和接收单个聚焦波束的方法，其二维成像帧率受限于声音在组织中的传播速度，通常帧率不超过100Hz。而临床上一些特殊应用需要达到>1000Hz成像帧率的要求，当前超声成像系统难以满足这些特殊的临床需求。

发明内容

基于此，有必要提供多波束聚焦发射的超声成像方法、装置、设备和介质，以解决现有超声成像技术成像帧率较低的问题。

一种多波束聚焦发射的超声成像方法，应用于包含L个换能器通道的相控阵超声探头，所述方法包括：

计算发射单个聚焦超声波束时，换能器不同通道在预设聚焦深度、不同发射角度下的发射延时，以得到L×N的发射延时矩阵；其中，不同通道为所述L个换能器通道中的任意一个，不同发射角度为预设成像视窗所覆盖的N个发射角度中任意一个；

使用脉冲激励换能器所有通道，并使用水听器测量不同通道的回波信号；

在同时发射多个聚焦波束时，将M个发射角度作为一个组合，基于不同通道各自对应的发射延时，对不同通道各自对应的发射波形进行补0，并将补0后的发射波形叠加，以得到L个换能器通道各自对应的叠加发射波形；

根据L个换能器通道各自对应的叠加发射波形计算L个换能器通道各自对应的激励驱动波形；

循环地执行N/M次发射接收操作和图像重建操作，以重建形成全局图像；其中，每次发射接收操作包括对L个换能器通道同时施加各自对应的激励驱动波形以发射M个波束，并获取L个换能器通道接收到的M个波束的回波信号，且每次发射操作发射的M个波束的角度不同，每次图像重建操作包括对当前接收到的M个波束的回波信号进行波束合成以重建形成一张局部图像，所述全局图像由N/M张局部图像构成。

在其中一个实施例中，所述计算发射单个聚焦超声波束时，换能器不同通道在预设聚焦深度、不同发射角度下的发射延时之后，还包括：

获取形成的N个发射延时集；其中，一个发射延时集为L个换能器通道在发射不同发射角度的超声波时，所有叠加发射波形的发射延时；

为每个发射延时集内的所有发射延时增加预设延时；其中，M个发射延时集形成一个延时组合，每个延时组合内不同发射延时集所增加的预设延时不同。

在其中一个实施例中，M个发射延时集所对应的发射角度之间的间隔相同，L个换能器通道各自对应的叠加发射波形的发射延时取决于聚焦深度。

在其中一个实施例中，所述根据L个换能器通道各自对应的叠加发射波形计算L个换能器通道各自对应的激励驱动波形，包括：

执行L次求解计算操作，以得到L个换能器通道各自对应的激励驱动波形；

其中，每次求解计算操作包括基于不同通道处的脉冲响应和叠加发射波形进行反卷积计算，获取计算得到的不同通道的激励驱动电压；

将不同通道的激励驱动电压编码，以多电平形式表示。

在其中一个实施例中，所述将不同通道的激励驱动电压编码，以多电平形式表示，包括：

通过带宽调制将不同通道的激励驱动电压转换为多电平表示。

在其中一个实施例中，所述将不同通道的激励驱动电压编码，以多电平形式表示，包括：

通过频率调制将不同通道的激励驱动电压转换为多电平表示。

在其中一个实施例中，所述方法，还包括：

为不同通道设定发射权重和接收权重；其中，不同换能器通道设定的发射权重和接收权重不同；

在L个换能器通道发射波束时，为发射的M个波束的延时分别施加对应的发射权重，及在L个换能器通道接收波束时，为接收的M个波束的回波信号的延时分别施加对应的接收权重。

一种多波束聚焦发射的超声成像装置，应用于包含L个换能器通道的相控阵超声探头，所述装置包括：

发射波形计算模块，用于计算发射单个聚焦超声波束时，换能器不同通道在预设聚焦深度、不同发射角度下的发射延时，以得到L×N的发射延时矩阵；其中，不同通道为所述L个换能器通道中的任意一个，不同发射角度为预设成像视窗所覆盖的N个发射角度中任意一个；使用脉冲激励换能器所有通道，并使用水听器测量不同通道的回波信号；在同时发射多个聚焦波束时，将M个发射角度作为一个组合，基于不同通道各自对应的发射延时，对不同通道各自对应的发射波形进行补0，并将补0后的发射波形叠加，以得到L个换能器通道各自对应的叠加发射波形；

驱动波形计算模块，用于根据L个换能器通道各自对应的叠加发射波形计算L个换能器通道各自对应的激励驱动波形；

成像模块，用于循环地执行N/M次发射接收操作和图像重建操作，以重建形成全局图像；其中，每次发射接收操作包括对L个换能器通道同时施加各自对应的激励驱动波形以发射M个波束，并获取L个换能器通道接收到的M个波束的回波信号，且每次发射操作发射的M个波束的角度不同，每次图像重建操作包括对当前接收到的M个波束的回波信号进行波束合成以重建形成一张局部图像，所述全局图像由N/M张局部图像构成。

一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行上述多波束聚焦发射的超声成像方法的步骤。

一种多波束聚焦发射的超声成像设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行上述多波束聚焦发射的超声成像方法的步骤。

本发明提供了多波束聚焦发射的超声成像方法、装置、设备和介质，首先计算发射单个聚焦超声波束时，换能器不同通道在预设聚焦深度、不同发射角度下的发射延时，以得到L×N的发射延时矩阵；以及使用脉冲激励换能器所有通道，并使用水听器测量不同通道的回波信号；接着在多波束聚焦发射的前提下，基于不同通道在M个发射角度上发射波形的发射延时对该不同通道在M个发射角度上的发射波形补零并进行叠加，以得到L个换能器通道各自对应的叠加发射波形；这样这个叠加发射波形就整合了M个独立的发射角度的发射波形，一共得到L个叠加发射波形。进一步的，根据L个换能器通道各自对应的叠加发射波形计算L个换能器通道各自对应的激励驱动波形，该激励驱动波形用于驱动各个换能器通道。最后循环地执行N/M次发射接收操作和图像重建操作，以重建形成全局图像；其中，每次发射接收操作包括对L个换能器通道同时施加各自对应的激励驱动波形以发射M个波束，并获取L个换能器通道接收到的M个波束的回波信号，且每次发射操作发射的M个波束的角度不同，每次图像重建操作包括对当前接收到的M个波束的回波信号进行波束合成以重建形成一张局部图像，全局图像由N/M个局部图像构成。这样就能将原本单独地进行N次超声发射操作及图像重建操作，优化为进行N/M次超声发射操作及图像重建操作，从而提高图像成像效率M倍，可以帮助实现一些特殊的临床需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1为一个实施例中多波束聚焦发射的超声成像方法的流程示意图；

图2为一个实施例中发射波形叠加前后的示意图；

图3为一个实施例中对M个波束分别施加一定的延时的流程示意图；

图4为一个实施例中计算激励驱动波形的流程示意图；

图5为一个实施例中多波束聚焦发射的超声成像装置的结构示意图；

图6为一个实施例中多波束聚焦发射的超声成像设备的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，图1为一个实施例中多波束聚焦发射的超声成像方法的流程示意图，该实施例需要使用到包含L个换能器通道的超声探头。本实施例的成像方法应用范围较广，具体的来说，能用于经胸超声成像、经食道超声成像、心腔内超声成像或其他超声成像领域，同时本实施例的成像方法既可以用于实现二维超声成像，也可以用于实现四维超声成像。本实施例用到的超声探头可以为机械4D超声探头(通过旋转或平移，实现动态三维成像)，也可以是其他探头。该换能器可以为二维面阵超声换能器，也可以为超声线阵、环阵、凸阵、1.5D等其他换能器。该换能器材料可以为锆钛酸铅压电陶瓷，也可以为复合材料，例如选用压电微机械超声换能器(PMUT)和电容微机械超声换能器(CMUT)。为方便阐述，以下以二维聚焦超声成像为例进行说明。

本实施例中多波束聚焦发射的超声成像方法提供的步骤包括：

S101,计算发射单个聚焦超声波束时，换能器不同通道在预设聚焦深度、不同发射角度下的发射延时，以得到L×N的发射延时矩阵。

其中，不同通道为L个换能器通道中的任意一个，不同发射角度为预设成像视窗所覆盖的N个发射角度中任意一个。也就是对所有的换能器通道及所有的发射角度在预设聚焦深度下都执行相同的计算操作，便能得到L×N的发射延时矩阵。

示例性的，如图2所示，图2中的L＝5，即通道0-4。假如设定共需要90个发射角度，那么图2中(A)-(E)给出了其中5个发射角度下发射波形的发射延时。在预设了聚焦超声成像的聚焦点位置后，可以很容易模拟出这些延时和波形，可得到5×90的发射延时矩阵。

S103,使用脉冲激励换能器所有通道，并使用水听器测量不同通道的回波信号。

这里，使用Dirac Delta脉冲激励所有通道，并使用水听器测量其回波信号，该回波信号即为换能器的脉冲响应，记为IR。同时，这里所有通道的换能器单元具有高一致性。

S105,在同时发射多个聚焦波束时，将M个发射角度作为一个组合，基于不同通道各自对应的发射延时，对不同通道各自对应的发射波形进行补0，并将补0后的发射波形叠加，以得到L个换能器通道各自对应的叠加发射波形。

其中，1

这里以通道0为假设，则基于(A)-(E)中通道0的发射延时，对(A)-(E)中通道0的发射波形进行叠加，就得到图2中(F)所对应的通道0的叠加发射波形，记为S1，该过程可通过已有算法实现，就不再赘述。当然，对5个通道都执行这样的叠加操作，就能得到(F)中的Si,i∈{1,2,…L}。

在一个具体实施例中，为了避免叠加后的波形过于复杂，影响后续编码精度，可以对M个波束分别施加一定的延时。具体的，如图3所示，具体步骤包括：

S1051,获取形成的N个发射延时集。

其中，一个发射延时集为L个换能器通道在发射不同发射角度的超声波时，所有发射波形的发射延时。即图2中的(A)-(E)能形成5个发射延时集，共有N个发射延时集。可选的，M个发射延时集所对应的发射角度之间的间隔相同，即令图2中(A)的发射角度a、(B)的发射角度b、(C)的发射角度c、(D)的发射角度d、(E)的发射角度e之间的间隔相同。

S1052,为每个发射延时集内的所有发射延时增加预设延时。

其中，M个发射延时集形成一个延时组合，每个延时组合内不同发射延时集所增加的预设延时不同。即图2中(A)-(E)形成的5个发射延时集为一个延时组合。例如，可以采用适当延时补0的方式，即将L个通道对应的发射延时转换为发射波形前补0的个数，该个数为具体发射延时除以系统时钟，示例性的，给A的五个通道均加10ms的延时，B的五个通道均加20ms延时，C不加，D的五个通道均加40ms，E的五个通道均加100ms延时。叠加后的波形越复杂，编码误差越高，这样就能使得叠加后的波形F尽可能简单(例如防止某些地方叠加后的幅值过高、变化太剧烈)，从而降低后续多电平近似表示的误差。

S107,根据L个换能器通道各自对应的叠加发射波形计算L个换能器通道各自对应的激励驱动波形。

具体的来说，执行L次求解计算操作，以得到L个换能器通道各自对应的激励驱动波形；其中，如图4所示，每次求解计算操作包括：

S1071,基于不同通道处的脉冲响应和叠加发射波形进行反卷积计算，获取计算得到的不同通道的激励驱动电压。

由于每个通道的发射波形为驱动电压和换能器的脉冲响应的卷积，表示为：

上式中，T为Toepl itz矩阵，IR为超声阵元的脉冲响应，p

因此在通过S101-S105获得叠加发射波形后，可以通过反卷积获得每个通道的激励驱动电压。

S1072,将不同通道的激励驱动电压编码，以多电平形式表示。

其中，这里的激励驱动电压以多电平形式表示。

由于一般的超声硬件系统无法发射任意电平的波形，绝大多数为三电平系统，只能通过{-1,0,1}来近似任意波形。又或者是五电平系统，可以通过{-2,-1,0,1,2}近似任意波形，亦或是17电平系统。而通过S1071计算得到的p

在一个具体实施例中，通过带宽调制将不同通道的激励驱动电压转换为多电平表示。示例性的，通过以下公式可以将任意激励电压波形转为三电平：

上式中，th1，th2为阈值，通常根据经验给定且th1>th2。

在一个具体实施例中，还可通过频率调制将不同通道的激励驱动电压转换为多电平表示。

S109,循环地执行N/M次发射接收操作和图像重建操作，以重建形成全局图像。

其中，每次发射接收操作包括对L个换能器通道同时施加各自对应的激励驱动波形以发射M个波束，并获取L个换能器通道接收到的M个波束的回波信号，且每次发射操作发射的M个波束的角度不同，每次图像重建操作包括对当前接收到的M个波束的回波信号进行波束合成以重建形成一张局部图像，全局图像由N/M张局部图像构成。

也就是说，在执行一次发射接收操作和图像重建操作时，L个换能器通道各自对应的叠加发射波形的发射延时相同，均为0，从而实现同时发射叠加后的波形。对不同换能器通道分别施加D

接着在下一次执行发射接收操作和图像重建操作时，令当前发射的M个波束的角度与上一次的角度不同，例如都增加1°，其余与第一次操作相同，从而重建得到第二张局部图像。同理，令每次发射的M个波束的角度不同，共循环地执行N/M次发射接收操作和图像重建操作后，可得到N/M张局部图像，该N/M张局部图像就能构成最终想要的全局图像。

在一个具体实施例中，还执行如下步骤，包括为不同通道设定发射权重和接收权重；其中，不同换能器通道设定的发射权重和接收权重不同。接着在L个换能器通道发射波束时，为发射的M个波束的延时分别施加对应的发射权重，及在L个换能器通道接收波束时，为接收的M个波束的回波信号的延时分别施加对应的接收权重。这样能降低M个波束之间的噪声干扰。

上述多波束聚焦发射的超声成像方法，能将原本单独地进行N次超声发射操作及图像重建操作，优化为进行N/M次超声发射操作及图像重建操作，从而提高图像成像效率M倍，可以帮助实现一些特殊的临床需求。

在一个实施例中，如图5所示，提出了一种多波束聚焦发射的超声成像装置，应用于包含L个换能器通道的相控阵超声探头，该装置包括：

发射波形计算模块501，用于计算发射单个聚焦超声波束时，换能器不同通道在预设聚焦深度、不同发射角度下的发射延时，以得到L×N的发射延时矩阵；其中，不同通道为所述L个换能器通道中的任意一个，不同发射角度为预设成像视窗所覆盖的N个发射角度中任意一个；使用脉冲激励换能器所有通道，并使用水听器测量不同通道的回波信号；在同时发射多个聚焦波束时，将M个发射角度作为一个组合，基于不同通道各自对应的发射延时，对不同通道各自对应的发射波形进行补0，并将补0后的发射波形叠加，以得到L个换能器通道各自对应的叠加发射波形；

驱动波形计算模块502，用于根据L个换能器通道各自对应的叠加发射波形计算L个换能器通道各自对应的激励驱动波形；

成像模块503，用于循环地执行N/M次发射接收操作和图像重建操作，以重建形成全局图像；其中，每次发射接收操作包括对L个换能器通道同时施加各自对应的激励驱动波形以发射M个波束，并获取L个换能器通道接收到的M个波束的回波信号，且每次发射操作发射的M个波束的角度不同，每次图像重建操作包括对当前接收到的M个波束的回波信号进行波束合成以重建形成一张局部图像，所述全局图像由N/M张局部图像构成。

图6示出了一个实施例中多波束聚焦发射的超声成像设备的内部结构图。如图6所示，该多波束聚焦发射的超声成像设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该多波束聚焦发射的超声成像设备的非易失性存储介质存储有操作系统，还可存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器实现多波束聚焦发射的超声成像方法。该内存储器中也可储存有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器执行多波束聚焦发射的超声成像方法。本领域技术人员可以理解，图6中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的多波束聚焦发射的超声成像设备的限定，具体的多波束聚焦发射的超声成像设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

一种多波束聚焦发射的超声成像设备，包括存储器、处理器以及存储在该存储器中并可在该处理器上执行的计算机程序，该处理器执行该计算机程序时实现如下步骤：计算发射单个聚焦超声波束时，换能器不同通道在预设聚焦深度、不同发射角度下的发射延时，以得到L×N的发射延时矩阵；使用脉冲激励换能器所有通道，并使用水听器测量不同通道的回波信号；在同时发射多个聚焦波束时，将M个发射角度作为一个组合，基于不同通道各自对应的发射延时，对不同通道各自对应的发射波形进行补0，并将补0后的发射波形叠加，以得到L个换能器通道各自对应的叠加发射波形；根据L个换能器通道各自对应的叠加发射波形计算L个换能器通道各自对应的激励驱动波形；循环地执行N/M次发射接收操作和图像重建操作，以重建形成全局图像。

一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如下步骤：计算发射单个聚焦超声波束时，换能器不同通道在预设聚焦深度、不同发射角度下的发射延时，以得到L×N的发射延时矩阵；使用脉冲激励换能器所有通道，并使用水听器测量不同通道的回波信号；在同时发射多个聚焦波束时，将M个发射角度作为一个组合，基于不同通道各自对应的发射延时，对不同通道各自对应的发射波形进行补0，并将补0后的发射波形叠加，以得到L个换能器通道各自对应的叠加发射波形；根据L个换能器通道各自对应的叠加发射波形计算L个换能器通道各自对应的激励驱动波形；循环地执行N/M次发射接收操作和图像重建操作，以重建形成全局图像。

需要说明的是，上述多波束聚焦发射的超声成像方法、装置、设备及计算机可读存储介质属于一个总的发明构思，多波束聚焦发射的超声成像方法、装置、设备及计算机可读存储介质实施例中的内容可相互适用。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，该程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。