波传播和散射参数的估计方法和仪器技术

材料对象中的线性和非线性传播和散射参数的估计和成像，其中波传播和散射的材料参数对波场幅值具有非线性依赖性。所述方法包括沿着至少一个低频(LF)和高频(HF)发射波束轴发射由共同传播的高频(HF)和低频(LF)脉冲组成的至少两个脉冲复合体，其中所述HF脉冲沿至少一个HF发射波束在LF脉冲的波峰或波谷附近传播，并且LF脉冲的幅值和极性中的一个在至少两个发射脉冲复合体之间变化。至少一个HF接收波束以大于20度的角度与HF发射波束交叉，以提供来自至少两个具有不同LF脉冲的发射脉冲复合体的至少两个HF交叉波束接收信号。处理HF交叉波束接收信号以估计所述交叉波束观察单元的发射HF脉冲的i)非线性传播延迟(NPD)和ii)非线性脉冲波形失真(PFD)中的一项或两项。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】波传播和散射参数的估计方法和仪器相关申请本申请要求于2018年1月25日提交的序列号为62/621,952的美国临时专利申请、于2018年9月17日提交的序列号为62/732,409的美国临时专利申请、于2018年12月17日提交的序列号为62/780,810的美国临时专利申请的优先权。
本专利技术涉及使用由高频(HF)和低频(LF)脉冲组成的双频脉冲复合体的传输、来对对象的线性和非线性传播以及散射参数进行成像的方法和仪器。本专利技术示出了利用声压波进行成像的示例，但这些方法也可用于对剪切弹性波和相干电磁波进行成像。本专利技术的应用例如但不限于医学成像和治疗、无损检测、工业和生物检查、地质应用、声呐(SONAR)和雷达(RADAR)应用。
技术介绍
在美国专利7,641,613、8,038,616、8,550,998、9,291,493中描述了用于对象的非线性传播和散射参数的成像的由高频(HF)和低频(LF)脉冲组成的双频脉冲复合体的传输。这些方法还能抑制多重散射噪声(混响噪声)，改善线性和非线性散射体的成像。以相干声压波成像为例，但很明显，这些方法还可用于所有类型的相干波成像，例如对剪切弹性波和电磁波进行成像。所引用的方法需要估计非线性传播延迟(nonlinearpropagationdelay,NPD)和非线性传播脉冲波形失真(pulseformdistortion,PFD)中的一个或两者，这两个都是具有挑战性的任务。本专利技术描述了用于改进NPD和PFD二者的估计的新方法和仪器，并且提供具有减少的多重散射噪声的散射图像和非线性散射体的图像。与具有零LF脉冲的测量相结合，本专利技术还提供了线性传播和散射参数的估计，其与非线性参数的评估相结合以用于获得对象的热弹性描述。
技术实现思路
本概述对本专利技术的组成部分进行了简要概述，并不存在对本专利技术范围的任何限制，其中本专利技术仅由所附的权利要求书限定。本专利技术提供了用于对材料对象中的线性和非线性传播和散射参数进行估计和成像的方法和仪器，其中波传播和散射的材料参数对波场幅值具有非线性依赖性。这些方法既可用于(例如在SONAR、地震学、医学超声成像和超声无损检测中发现的)声波和剪切弹性波，也可用于(例如在RADAR和激光成像中发现的)相干电磁波。在下面的描述中，使用声波作为示例，但是对于本领域技术人员而言，如何将这些方法应用于弹性剪切波和相干电磁波是清楚的。在其最广泛的形式中，所述方法包括沿着至少一个LF和HF发射波束轴发射由共同传播的高频(HF)和低频(LF)脉冲组成的至少两个脉冲复合体，其中所述HF脉冲沿至少一个HF发射波束在LF脉冲的波峰或波谷附近传播，其中LF脉冲的幅值和极性中的一个在至少两个发射脉冲复合体之间变化，其中LF脉冲的幅值对于脉冲复合体能够为零，而所述至少两个发射脉冲复合体中的至少一个LF脉冲的幅值是非零的。此外，引导至少一个HF接收交叉波束以大于20度的角度与所述至少一个HF发射波束交叉，通过HF发射波束和所述至少一个HF接收交叉波束之间的交叉区域形成交叉波束观察单元，以及对于具有不同LF脉冲的至少两个发射脉冲复合体，使用所述至少一个HF接收交叉波束来记录来自于在所述交叉波束观察单元中被对象结构散射的发射HF脉冲的至少二个HF交叉波束接收信号。对HF交叉波束接收信号进行处理，以估计所述交叉波束观察单元的发射HF脉冲的i)非线性传播延迟(NPD)和ii)非线性脉冲波形失真(PFD)中的一个或两个，其中在进一步处理中使用所述NPD和PFD中的一个或两个来估计以下项中的一个或多个：i)局部非线性传播参数，ii)局部定量非线性传播参数βp，iii)线性脉冲传播速度c0的局部值，iv)线性散射HF信号，v)非线性散射HF信号，vi)治疗期间组织结构的局部变化，以及vii)HIFU(HighIntensityFocusedUltrasound，高强度聚焦超声)治疗过程中组织温度的局部变化。通常，所述至少一个HF接收交叉波束聚焦在HF发射波束轴上，形成交叉波束观察单元，作为HF发射和HF接收交叉波束的交叉区域。可以通过对于沿着HF发射波束具有近距离的至少两个HF接收交叉波束从HF发射脉冲接收散射信号来估计局部非线性传播参数，以及估计在由HF发射波束与所述至少两个HF接收交叉波束中的每一个之间的交叉所确定的至少二个交叉波束观察单元处的发射HF脉冲的非线性传播延迟(NPD)。组合来自沿着HF发射波束的相邻交叉波束观察单元的所述估计的NPD，以形成局部非线性传播参数的估计。通过在HF脉冲的位置处的LF脉冲压力的估计来缩放所述估计的局部非线性传播参数，从而给出非线性传播系数βp的定量估计。估计的βp引起对局部线性传播速度c0的估计、治疗期间组织结构的变化以及HIFU治疗期间局部组织的温度变化。通过用i)NPD和ii)PFD中的一者或两者对所述至少两个HF接收信号进行校正以产生两个校正信号，并组合所述至少两个校正信号，可获得局部非线性和线性散射信号。本专利技术进一步的设备还使用具有与HF发射波束相同的波束轴的HF反向散射接收波束来记录HF反向散射接收信号。处理估计的PFD和/或NPD以提供估计的多重散射PFD及NPD。利用所估计的多重散射PFD和/或NPD来校正来自具有不同LF脉冲的至少两个发射脉冲复合体的至少两个HF反向散射信号，以产生至少两个校正的HF反向散射信号。将至少两个校正的HF反向散射信号进行组合，以提供具有多重散射噪声抑制的HF噪声抑制反向散射信号，例如在美国专利No.8,038,616、8,550,998、9,291,493中所述。估计参数和信号的2D和3D图像可以通过在对象的2D或3D区域上扫描发射波束和匹配的HF交叉波束和HF反向散射波束，并且记录HF反向散射和/或交叉波束接收信号和反向散射信号，并根据本专利技术进行进一步处理以产生所述参数的局部估计来获得。然后，可以通过对来自几个相邻交叉波束观察单元的HF交叉波束接收信号进行空间滤波来综合地减小利用2D或3D扫描的交叉波束观察单元的大小。本专利技术进一步的设备使用与HF发射波束相等的HF反向散射接收波束，并且对于多个深度，对i)HF反向散射接收信号和ii)HF噪声抑制反向散射信号中的一个进行横向滤波，以从组合的HF发射和接收波束产生HF信号，这些波束被综合地聚焦成所述多种深度，例如在美国专利No.9,291,493中所述。本专利技术还描述了用于执行本专利技术的实际测量和处理的仪器，特别是获得PFD和/或NPD的局部估计，以及以下参数中的一个或多个：i)局部非线性传播参数，ii)局部定量非线性传输参数βp，iii)线性脉冲传播速度c0的局部值，iv)线性散射HF信号，v)非线性散射HF信号，vi)治疗期间组织结构的局部变化，以及vi)HIFU治疗过程中组织温度的局部变化。利用该仪器的一个版本，根据已知的方法，在专用波束形成HW(硬件)中产生HF反向散射和/或交叉波束接收信号，并将数字HF接收信号传送到处理结构进行存储，并在不同已知类型的通用SW(软件)可编本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于估计对象中的传播和散射参数的方法，包括沿着至少一个低频(LF)和高频(HF)发射波束轴发射由重叠的高频(HF)和低频(LF)脉冲组成的至少两个脉冲复合体，其中所述HF脉冲在所述LF脉冲的波峰或波谷附近传播，并且所述LF脉冲的幅值和极性中的一个在所述至少两个发射脉冲复合体之间变化，其中对于脉冲复合体而言，所述LF脉冲的幅值能够为零，而对于所述至少两个发射脉冲复合体中的至少一个脉冲复合体，所述LF脉冲的幅值为非零，以及/n通过由所述至少一个HF接收交叉波束中的每一个与所述至少一个HF发射波束中的每一个之间的乘积所限定的所述交叉区域，引导至少一个HF接收交叉波束以大于20度的角度与所述至少一个HF发射波束轴交叉，以形成交叉波束观察单元，以及/n记录至少两个HF交叉波束接收信号，所述HF交叉波束接收信号从具有不同LF脉冲的所述至少两个发射脉冲复合体中从每个交叉波束观察单元中的对象结构散射，以及/n对于所述至少一个HF接收交叉波束中的每一个，处理所述HF交叉波束接收信号，以提供以下至少一项：/ni)估计的非线性传播延迟(NPD)，以及/nii)估计的非线性脉冲波形失真(PFD)，/niii)在沿着所述至少一个HF发射波束轴的图像点处的发射HF脉冲，其中所述HF发射波束轴和所述至少一个HF接收交叉波束轴在每个所述交叉波束观察单元内具有最短的距离，并且使用所述估计的PFD和/或NPD进行进一步处理，以在所述图像点处形成对象传播和散射参数的测量。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180125 US 62/621,952;20180917 US 62/732,409;20181.一种用于估计对象中的传播和散射参数的方法，包括沿着至少一个低频(LF)和高频(HF)发射波束轴发射由重叠的高频(HF)和低频(LF)脉冲组成的至少两个脉冲复合体，其中所述HF脉冲在所述LF脉冲的波峰或波谷附近传播，并且所述LF脉冲的幅值和极性中的一个在所述至少两个发射脉冲复合体之间变化，其中对于脉冲复合体而言，所述LF脉冲的幅值能够为零，而对于所述至少两个发射脉冲复合体中的至少一个脉冲复合体，所述LF脉冲的幅值为非零，以及
通过由所述至少一个HF接收交叉波束中的每一个与所述至少一个HF发射波束中的每一个之间的乘积所限定的所述交叉区域，引导至少一个HF接收交叉波束以大于20度的角度与所述至少一个HF发射波束轴交叉，以形成交叉波束观察单元，以及
记录至少两个HF交叉波束接收信号，所述HF交叉波束接收信号从具有不同LF脉冲的所述至少两个发射脉冲复合体中从每个交叉波束观察单元中的对象结构散射，以及
对于所述至少一个HF接收交叉波束中的每一个，处理所述HF交叉波束接收信号，以提供以下至少一项：
i)估计的非线性传播延迟(NPD)，以及
ii)估计的非线性脉冲波形失真(PFD)，
iii)在沿着所述至少一个HF发射波束轴的图像点处的发射HF脉冲，其中所述HF发射波束轴和所述至少一个HF接收交叉波束轴在每个所述交叉波束观察单元内具有最短的距离，并且使用所述估计的PFD和/或NPD进行进一步处理，以在所述图像点处形成对象传播和散射参数的测量。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个HF接收交叉波束轴与所述至少一个HF发射波束的轴交叉。


3.根据权利要求2所述的方法，其中所述至少一个HF接收交叉波束聚焦在所述至少一个HF发射波束的轴上。


4.根据权利要求1所述的方法，还包括：
引导在不同方向上与所述至少一个HF发射波束交叉的多于一个的HF接收交叉波束，其中HF接收波束轴在靠近图像点的基本相同位置处与所述HF发射波束轴交叉，以及
记录从具有不同LF脉冲的相同脉冲复合体散射的每个所述HF接收交叉波束的至少两个散射HF交叉波束接收信号，以及
比较每个所述HF接收交叉波束的所述至少两个散射HF交叉波束接收信号，以估计所述发射HF脉冲的i)NPD和ii)PFD中的至少一个，以及
组合每个所述HF接收交叉波束的所述估计的PFD和/或NPD，以形成对于所述图像点具有减小的估计误差的新估计的PFD和/或NPD，以及
使用所述新估计的PFD和/或NPD进行进一步处理。


5.根据权利要求1所述的方法，还包括：
从至少两个HF接收交叉波束的所述HF发射脉冲接收HF散射信号，所述HF接收交叉波束在沿着所述HF发射波束的一定距离处与HF发射波束交叉，其限定了在所述至少一个HF发射波束与至少两个HF交叉波束之间的最短距离处的至少两个图像点，以及
估计每个HF接收交叉波束的NPD，以及
估计以下至少一项：
i)通过组合用于所述至少两个HF接收波束的估计NPD的局部非线性传播参数，所述至少两个HF接收波束沿着每个HF发射波束在一定距离处交叉，以及
ii)用于所述至少两个图像点的所述发射HF脉冲的平均NPD。


6.根据权利要求5所述的方法，其中所述局部非线性传播参数是采用在所述每个图像点处的HF脉冲的位置处的LF脉冲压力的估计来缩放的，以提供在所述每个图像点处的所述非线性传播参数βp的定量估计。


7.根据权利要求1所述的方法，还包括：
沿着选定的一组相邻的HF发射波束发射所述脉冲复合体，并且对于至少两个发射脉冲复合体接收来自所述HF发射脉冲的散射HF交叉波束接收信号，其中所述至少两个发射脉冲复合体对于每个所述相邻HF发射波束的相邻HF接收交叉波束的选定组具有不同的LF脉冲，其中所述选定的HF发射波束和HF接收交叉波束的组定义了选定的图像点的组，以及
在滤波处理中组合来自所述选定的图像点组中的若干图像点的HF接收交叉波束信号，以针对至少一个图像点提供合成聚焦的HF交叉波束接收信号，该信号由围绕所述至少一个图像点的合成聚焦观察单元中的散射体产生，所述合成聚焦观察单元与原始观察单元相比尺寸减小，并且在进一步处理中使用所述合成聚焦的HF交叉波束接收信号。


8.根据权利要求1所述的用于测量对象中的线性和非线性散射参数的方法，还包括：
用i)估计的NPD和ii)估计的PFD中的一个或两个来校正所述至少两个HF交叉波束接收信号，以产生至少两个校正的HF交叉波束接收信号；以及
组合所述至少两个校正的HF交叉波束接收信号，以形成以下各项之一或两者的估计：i)非线性散射HF信号和ii)来自至少一个观察区域的线性散射HF信号。


9.根据权利要求8所述的方法，其中所述至少一个HF发射波束以i)跨2D表面区域和ii)跨3D区域中的一种方式扫描通过对象的区域，以及
对于在所述区域内的所选HF发射波束，对于沿着每个所选HF发射波束具有近距离的至少两个HF接收波束，接收从所述HF发射脉冲散射的HF接收信号，以及
处理所述HF接收信号，以在以下各项中的至少一个的所述2D区域和3D区域内的图像点处形成2D图像和3D图像两者之一：
在图像点处，i)对所述NPD的估计，和ii)对非线性传播参数的估计；和iii)对非线性传播参数βp(r)的定量估计，和iv)对所述线性散射信号的估计，和v)对所述非线性散射信号的估计。


10.根据权利要求9所述的方法，其中
对于每个选定的HF发射波束组，使用等于所述发射波束的HF接收波束从具有不同LF脉冲的发射脉冲复合体中接收至少两个HF反向散射信号，以及
用i)估计的NPD和ii)估计的脉冲形式和散斑失真中的至少一项来校正所述至少两个HF反向散射信号，以提供至少两个校正的HF反向散射信号；以及
组合所述至少两个校正的HF反向散射信号，以提供具有多重散射噪声抑制的HF噪声抑制反向散射接收信号。


11.根据权利要求10所述的方法，其中，对i)所述接收的HF反向散射信号和ii)所述HF噪声抑制接收信号当中的一项在选定深度进行横向滤波，以提供聚焦在所述选定深度的合成聚焦HF信号。


12.根据权利要求9所述的方法，其中，将所述空间变化的非线性传播参数βp(r)的所述定量估计用作以下至少一项的输入：
i)改善异常组织区域的检测，以及
ii)异常组织区域的表征，以及
iii)估计治疗期间组织特性的局部变化，以及
iv)估计HIFU治疗期间局部组织温度的变化，以及
v)估计空间变化的线性传播速度c0(r)。


13.根据权利要求1所述的方法，其中所述估计参数的选定组被用作以更高精度对参数进行断...

【专利技术属性】
技术研发人员：比约恩·A·J·安杰尔森，J·夸姆，
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