利用双带脉冲复合体的非线性成像制造技术

本发明专利技术呈现利用具有一般性质的波、例如电磁波(EM)及弹性波(EL)对对象的区域进行测量或成像的方法和仪器，其中，用于对象中的波传播以及散射的材料参数取决于波场强度。本发明专利技术专门致力于抑制被称作脉冲混响噪声的3阶多重散射噪声，以及抑制线性散射分量以增强来自于非线性散射的信号分量。脉冲混响噪声被分成三个等级，其中，本发明专利技术专门致力于等级I和等级II的3阶多重散射，其由相同的三个散射体产生，但以相反的顺序。专门致力于达到接近于对等级I和II的脉冲混响噪声的相同敏感性的方法，其简化了对两个经组合的等级的抑制，以及用于脉冲混响噪声的抑制的估计的方法，其补偿等级I与等级II的噪声之间的差。该方法基于包括低频(LF)脉冲和高频(HF)脉冲的双带脉冲复合体的传输，其中LF脉冲被用于非线性地操纵由共同传播的HF脉冲所观测的对象参数。来自于HF脉冲的散射及传输分量中的一个或两个被拾取，并进一步被处理以抑制脉冲混响噪声并增强非线性散射分量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用双带脉冲复合体的非线性成像1.
本专利技术针对心脏的实时超声成像，以及对图像的可视化和分析以用于检测心肌(MC)收缩和舒张功能中的区域缺陷。2.
技术介绍
确定材料中的电磁(EM)或弹性(EL)波传播和散射的材料特性通常示出了随波中的场强的变化。这种材料被称作是非线性的，并引起了EM和EL波两者的非线性波传播和非线性散射。非线性散射源的测量或成像在许多情形中对识别这种材料的特性是有用的。EM或EL波的前向波传播和局部散射这两者具有数学相似性，且用于成像的方法和仪器因此具有相似的结构。EL波的使用的示例是利用剪切波和压缩波两者的材料检测、利用压缩波的超声医学成像、SONAR海底和地质测量、以及地震成像。EM波具有相似的用途，其中特别是EM技术的新进展显得对地质和医学成像两者是有用的，提供附加的信息给弹性波图像。红外及光频范围中的EM成像还提供对材料检测和医学成像两者有用的信息。非线性散射对于EM或EL波可被分离成参量和共振散射类型。对于EL波，参量散射来源于随着局部弹性波场的幅值的局部弹性参数的非线性变化，其中，非线性变化的空间变化产生非线性散射。对于EM波，参量散射来源于随着局部EM波场的幅值的局部介电常数或磁导率的非线性变化，其中，非线性变化的空间变化产生非线性散射。利用被称作为声波的弹性压缩波，例如在软材料与硬材料之间的界面处得到强的非线性参量散射，例如，如以来自于软组织中的微钙化的超声非线性散射或者来自于类土质矿藏中的坚硬物体或其他物体的声散射所发现的。还在较硬材料与软得多的材料之间的界面处得到强的非线性散射，例如，如以来自于血液中的气体微气泡或水中的鱼的充气鱼鳔及类似物的超声散射所发现的。共振非线性散射涉及到时滞，其在一些情形下可被用于将信号分量从入射波的局部非线性散射和前向传播失真中分离。然而，本专利技术为局部共振非线性散射源的成像提供进一步的优势。对于声波，气体微气泡示出共振散射，例如，其中，共振来源于具有壳与气体的气泡的非线性弹性之间的能量交换，且围绕气泡的共同振荡的流体质量(mass)具有近似三倍于气泡体积的体积。因为弹性和质量两者随着气泡的压缩而变化，所以共振频率非线性地受入射声波场的影响，产生特别强的非线性散射，所述非线性散射具有散射场中的大量的入射频率的谐波分量(n倍于入射频率)以及甚至入射频率的次谐波分量(入射频率的一部分)，以及入射频率的超谐波分量(围绕谐波分量的带)。然而，为了以远高于气泡共振频率的频率成像，非线性散射低得多，且本专利技术提供用于以高于共振频率的频率的微气泡的增强成像的解决方案。共振非线性EM散射来源于波场与原子和分子之间的相互作用，其最佳地在量子物理学领域内描述。EM共振散射的示例是荧光，其与子谐振声散射具有相似性。例如，当入射频率处于紫外范围中时，散射频率可处于可见光范围中。散射频率也可与被称作“共振荧光”的入射频率相同。另一个示例是双光子量子散射，其类似于2次谐波参量散射，但是包括在过程中具有时滞的详细的原子动力学。还发现了材料中的EM与EL波之间的非线性相互作用，其中例如，EL压缩波改变称为声光效应(acousto-opticeffect)的过程中的EM材料参数。材料中的EM波的吸收产生对材料的快速的、局部的加热，其在称为光声效应(photo-acousticeffect)的过程中生成声波。本专利技术因此提出EM和EL波两者，以及它们的组合，其中，说明书和权利要求中提及的波可以是EM和/或EL波两者。利用单频带入射波，参量非线性散射在散射波中产生入射频带的谐波分量。利用局部地相互作用的双带入射波，参量非线性散射产生围绕入射频带的卷积的带，其产生围绕入射频率的和与差的带。然而，材料参数的非线性变化也产生前向传播的波的累积非线性失真。当高频脉冲的脉冲长度增加近似超过低频脉冲的周期时，来自于非线性前向传播失真的线性散射具有类似于局部非线性散射的信号特征(signature)，且在这种情形中，难以区分由入射波的非线性传播失真的线性散射产生的信号分量和发生于局部非线性散射的信号分量。这是例如利用采用医学超声成像的当前谐波成像的情形。相反地，当高频脉冲的脉冲长度变得近似短于低频脉冲的半个周期时，高度地抑制线性散射分量以对非线性散射分量进行测量或成像是可能的，例如如在US专利8,038,616和US专利申请12/351766、12/500518和13/213965中所示出的。来自于强散射体的EL和EM波的多重散射通常在测量和图像中产生强干扰噪声。当高频脉冲的脉冲长度变得短于低频率脉冲的波长的一半时，高度地抑制该多重散射噪声是可能的，其中一些方法在所引用的US专利申请中呈现。基于该背景，本专利技术的目的是呈现用于利用弹性波和电磁波两者对非线性散射分量进行测量和成像以及对多重散射噪声进行抑制的改进的方法和仪器。3.
技术实现思路
呈现本专利技术的概述。该概述仅仅用于例示目的，并不意味着表示对本专利技术的限制，其在它的最宽的方面中由本文所附的权利要求所限定。本专利技术呈现利用具有一般性质的波、例如电磁(EM)或弹性(EL)波对对象的区域进行测量或成像的方法和仪器，其中，用于对象中的波传播和散射的材料参数取决于波场强度。这种材料被称作是非线性的，并且这种材料中的波传播限定了非线性波传播和散射的概念。本专利技术专门致力于强抑制被称作脉冲混响噪声的3阶多重散射噪声，且还抑制线性散射分量以增强来自于非线性散射的信号分量。脉冲混响噪声被分为三个等级(class)，其中，本专利技术专门致力于由相同的三个散射体生成的等级I和II的3阶多重散射，但是以相反的顺序。专门致力于在测量中达到接近类似于等级I和II的脉冲混响噪声的方法，其简化了对两个经组合的等级的抑制，并且解决用于对等级I和II的噪声的组合抑制的方法，其补偿测量中的等级I和II噪声中的差。方法基于包括低频(LF)脉冲和高频(HF)脉冲的双带脉冲复合体的传输，其中，LF脉冲被用于非线性地操纵由共同传播的HF脉冲所观测的对象材料参数。来自于HF脉冲的散射及传输分量中的一个或两者被拾取并给出HF接收信号，所述HF接收信号进一步被处理以抑制脉冲混响噪声并增强非线性散射分量。典型地，希望HF脉冲沿着共同传播的LF脉冲的波峰或波谷传播。通过LF脉冲对对象特性进行非线性操纵对于共同传播的HF脉冲来说产生波传播速度的改变。该传播速度的改变引入由HF脉冲的中心处的LF场强和极性给出的非线性传播延迟，其中，所述非线性传播延迟随着传播距离而累积。对于给定的LF脉冲的极性，可得到负的非线性传播延迟，其表示传播提前。然而，应采用延迟的广义概念，其可以是正的和负的两者。沿着共同传播的HF脉冲的LF场强的变化产生HF脉冲的非线性脉冲波形失真，其也随着传播距离累积。非线性对象参数的空间变化产生HF脉冲的散射，其取决于共同传播的LF脉冲的局部值。除了通过LF脉冲非线性操纵共同传播的HF脉冲的传播速度和散射之外，对象参数的非线性通过HF脉冲本身的场强引入HF脉冲的自失真。该HF脉冲的自失真引入围绕基本的、所传输的HF带的谐波分量的HF脉冲中的谐波带，并且是当前谐波成像的方法的基础。能量到谐波带的传递被以作为基本HF带的非线性衰减被观测到，所述基本HF带在根据本专利技术的噪声抑制的估计的基于模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用波对对象的区域进行测量或成像的方法，其中对象材料参数由波场强度修正，所述方法包括a)朝向所述区域传输至少两个脉冲波复合体，所述脉冲复合体中的每一个包括‑低频(LF)脉冲，其具有从具有LF阵列元件的LF阵列孔径所传输的LF带中的频率，以及‑高频(HF)脉冲，其具有从具有HF阵列元件的HF阵列孔径所传输的HF带中的频率，其中‑所传输的HF脉冲的脉冲长度小于所传输的LF脉冲的振荡周期的一半，并且其中‑所述所传输的HF脉冲在空间上如此接近所述所传输的LF脉冲地传播，以致于所述HF脉冲至少针对所述HF脉冲的传播深度的一部分观测所述共同传播的LF脉冲对所述对象材料参数的操纵，并且其中‑对于每个所传输的脉冲复合体，至少所述所传输的LF脉冲变化以产生对所述对象的不同操纵，其中，所述所传输的LF脉冲也能够为零，以及b)使用HF接收阵列元件从来自于每个所传输的脉冲复合体的散射及传输的HF分量中的一个或两者中拾取HF接收元件信号，其中，对于每个所传输的脉冲复合体，利用给定的HF接收孔径和HF接收焦点所述HF接收元件信号组合为HF接收信号，以及c)通过下面中的至少一个，以快轴时间间隔校正所述HF接收信号i)在快轴时间上利用校正延迟的延迟校正，其对在所述快轴时间间隔中的所述HF接收信号中发现的多重散射HF脉冲的非线性传播延迟的加权平均进行近似，以及ii)在所述快轴时间上的散斑校正，其补偿在所述快轴时间间隔中的所述HF接收信号中发现的所述多重散射HF脉冲的散斑的LF压力变化，其中，所述延迟校正和散斑校正中的一个或两者能够对于至少一个HF接收信号为零，以针对所述快轴时间间隔形成经校正的HF信号，以及d)组合来自于至少两个所传输的脉冲复合体的所述经校正的HF信号，以形成具有对脉冲混响噪声的抑制的至少一个经噪声抑制的HF信号。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.10.03 US 61/542,5111.一种利用波对对象的区域进行测量或成像的方法，其中用于波传播和散射的对象材料参数由波场强度修正，所述方法包括a)朝向所述区域传输至少两个脉冲波复合体，所述脉冲复合体中的每一个包括-低频(LF)脉冲，其具有从具有LF阵列元件的LF阵列孔径所传输的LF带中的频率，以及-高频(HF)脉冲，其具有从具有HF阵列元件的HF阵列孔径所传输的HF带中的频率，其中-所传输的HF脉冲的脉冲长度小于所传输的LF脉冲的振荡周期的一半，并且其中-所述所传输的HF脉冲在空间上接近所述所传输的LF脉冲地传播，以致于所述HF脉冲观测所述所传输的LF脉冲对所述对象材料参数的操纵，其中所述观测至少针对所述HF脉冲的传播深度的一部分，并且其中-至少所述所传输的LF脉冲在所传输的脉冲复合体之间变化以产生对所述对象的不同操纵，其中，脉冲复合体的所述所传输的LF脉冲也能够为零并且所述LF脉冲对于至少一个脉冲复合体是非零的，以及b)使用HF接收阵列元件从来自于每个所传输的脉冲复合体的散射及传输的HF分量中的一个或两者中拾取HF接收元件信号，其中，对于每个所传输的脉冲复合体，利用给定的HF接收孔径和HF接收焦点将所述HF接收元件信号组合为HF接收信号，以及c)将快轴时间划分为快轴时间间隔并且通过下面中的至少一个在快轴时间间隔中校正所述HF接收信号i)在所述快轴时间上利用校正延迟估计的延迟校正，所述校正延迟估计表示与干涉加在一起以构成所述快轴时间间隔中的HF脉冲混响噪声的多重散射HF脉冲的各非线性传播延迟的加权平均，其中所述平均的所述权重补偿在所述快轴时间间隔中的所述多重散射HF脉冲的幅值和脉冲波形的变化，以及ii)在所述快轴时间上利用散斑校正滤波器估计的散斑校正，所述散斑校正滤波器估计补偿在所述快轴时间间隔中的所述HF脉冲混响噪声的所述散斑的随着所述LF脉冲的变化，其由与干涉加在一起以构成所述快轴时间间隔中的所述HF脉冲混响噪声的所述多重散射HF脉冲的非线性传播延迟和脉冲波形失真的随着所述LF脉冲的变化产生，其中，所述延迟校正和散斑校正中的一个或两者能够对于至少一个HF接收信号为零，并且所述延迟和散斑校正中的至少一个对于至少一个HF接收信号为非零，以针对所述快轴时间间隔形成经校正的HF信号，以及d)组合来自于至少两个所传输的脉冲复合体的所述经校正的HF信号，以形成具有对脉冲混响噪声的抑制的至少一个经噪声抑制的HF信号。2.根据权利要求1所述的方法，其中-步骤a)和b)包括朝向产生至少3个HF接收信号的所述对象传输具有不同LF脉冲的至少3个脉冲复合体，并且其中，步骤c)和d)包括，-校正和组合所述HF接收信号以形成至少两个经噪声抑制的HF信号，以及-所述至少两个经噪声抑制的HF信号通过下面中的至少一个进一步校正i)在快轴时间上使用校正延迟的延迟校正，以及ii)在所述快轴时间上使用散斑校正的散斑校正，以形成至少两个经校正的经噪声抑制的HF信号，以及-组合所述至少两个经校正的经噪声抑制的HF信号，以形成具有经大致抑制的线性散射分量和脉冲混响噪声的至少一个非线性散射HF信号。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述散斑校正在所述快轴时间上利用滤波器进行。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述滤波器是降低所述信号的带宽的带通滤波器。5.根据权利要求1所述的方法，其中，HF传输及接收波束选择为使零LF脉冲的等级I和等级II的3阶散射噪声之间的差最小化。6.根据权利要求5所述的方法，其中，-具有匹配的HF接收波束的多个传输波束以不同方向传输，以在所述不同方向上形成HF接收信号，以及-针对至少一个深度对来自所述不同方向的所述HF接收信号进行横向滤波，以获得具有在所述至少一个深度处的合成的HF图像波束焦点的合成的HF接收信号，用于-根据权利要求1的步骤c)和d)对所述合成的HF接收信号进行进一步处理。7.根据权利要求5所述的方法，包括对多于一个的深度区域成像，其中每个深度区域利用来自于不同的所传输的脉冲复合体的不同HF接收信号进行成像，HF传输及接收波束焦点在所述每个深度区域内选择。8.根据权利要求1所述的方法，包括a)朝向所述对象传输具有不同方向的多于一个的脉冲复合体，以及b)针对每个HF接收阵列元件和每个所传输的脉冲复合体接收和存储HF接收阵列元件信号，以及c)针对图像点组组合来自于所述所传输的脉冲复合体的所述HF接收阵列元件信号，以针对每个图像点为合成的HF接收信号提供合成的HF传输及接收波束，所述合成的HF传输及接收波束构造为使得对于具有零LF脉冲的脉冲复合体所述合成的HF接收信号中的等级I与等级II的3阶散射噪声信号之间的差在每个图像点中大致最小化。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述多于一个的所传输的脉冲复合体中的每一个具有在至少一个方向上大致是平面的波前。10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述校正延迟估计和所述散斑校正滤波器估计中的至少一个在使用i)HF接收信号延迟和ii)所述HF接收信号中的多重散射噪声信号分量的散斑中的至少一个中的LF脉冲生成的变化的数学模型的过程中被估计。11.根据权利要求10所述的方法，所述过程包括a)通过利用实际的所传输的LF/HF脉冲复合体和限定对象材料参数的前向传播的HF脉冲的非线性波方程的仿真，在多个深度处获得用于所述前向传播的HF脉冲的非线性传播延迟和脉冲波形失真，以及b)从所测量的HF接收信号中获得根据沿着波束的深度与相对反射系数相关的参数，以及c)在包括组合所述HF脉冲的所述非线性传播延迟和脉冲波形失真中的一个或两者的过程中，估计所述校正延迟估计和散斑校正滤波器估计，所述HF脉冲根据步骤a)利用根据深度与相对反射系数相关的所述参数获得，根据步骤b)在用于多重散射HF噪声信号的数学模型中获得。12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述过程在其中每个步骤都应用根据权利要求11所述的方法的步骤中实行，并且对于每个步骤，所述限定对象材料参数被调节以增加对所处理的HF接收信号中的i)脉冲混响噪声和ii)1阶线性散射分量中的一个或两者的抑制，其中，所述调节实行为下面中的一个或两者：a)基于对所显示的图像的观测的手动调节，以及b)自动调节以使图像的区域中的所处理的HF接收信号的泛函最佳化。13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述泛函是图像的区域中的所处理的HF接收信号的总功率。14.根据权利要求11所述的方法，其中，利用实际的所传输的LF/HF脉冲复合体和限定对象材料参数的前向传播的HF脉冲的非线性波方程的仿真，在测量之前针对多个限定参数的集合实行，并且所述前向传播的脉冲的所述非线性传播延迟和脉冲波形失真中的至少一个被提取并预存储在电子存储器中，并且在估计过程中针对限定对象材料参数的所述非线性传播延迟和脉冲波形失真中的至少一个以及LF脉冲基于与所述限定参数相关的存储器地址从存储器中检索。15.根据权利要求11所述的方法，其中，对于步骤a)，所述非线性传播延迟和脉冲波形失真对LF脉冲和限定对象材料参数的依赖性的级数展开系数被计算和存储，以使得对于给定的所传输的LF脉冲和限定对象材料参数，对所述非线性传播延迟和脉冲波形失真的估计能够利用所述所存储的级数展开系数通过所述级数展开来计算。16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述级数展开为泰勒级数和傅里叶级数展开中的一个或两者。17.根据权利要求1所述的方法，其中，LF和HF传输孔径被限定使得针对所述所传输的HF脉冲的非线性传播延迟τ(t)具有随着快轴时间t的大致线性的变化，以及为了抑制脉冲混响噪声，所述校正延迟通过τ(t)/2近似。18.根据权利要求1所述的方法，其中，对于回波薄弱区域中的脉冲混响噪声的抑制，利用非零LF脉冲所获得的相同的HF接收信号利用两个不同的校正延迟进行延迟校正，以提供两个经校正的HF信号，并且所述两个经校正的HF信号被组合以提供经噪声抑制的HF信号。19.根据权利要求1所述的方法，其中，传输LF阵列元件选择为使得所述LF阵列孔径具有围绕中心LF脉冲不传输的区域，以使得通过由所述所传输的HF脉冲所观测的所述LF脉冲对所述对象材料参数的操纵在所述HF阵列孔径的近场区域中非常低。20.根据权利要求1所述的方法，其中所述经噪声抑制的HF信号在估计针对具有波传播...

【专利技术属性】
技术研发人员：比约恩·A·J·安杰尔森，托尔·安德烈亚斯·坦根，
申请(专利权)人：海浪科技有限公司，
类型：发明
国别省市：挪威;NO