用于介质的超声表征的方法和系统技术方案

用于介质的超声表征的方法，包括：生成一系列入射超声波的步骤；生成在作为输入的发射基(i)与作为输出的接收基(u)之间定义的实验反射矩阵R

【技术实现步骤摘要】
用于介质的超声表征的方法和系统


[0001]本说明书涉及用于介质的超声表征的方法和系统，且具体来说适用于医学成像或无损检测，且更一般来说适用于可以使用超声成像的所有领域。

技术介绍

[0002]在声学成像的领域中，我们试图通过使用超声波主动探测来表征完全或部分未知的环境。这是用于医学成像的超声机器的原理。
[0003]声学成像系统的分辨率可以被定义为用于辨别对象的小细节的能力。原则上，声学成像系统受衍射限制，并且理论分辨率由λ/2(其中λ是介质中声音的波长)或由检测器的有限角孔径给出。然而，实际上，当传播介质为异质时，分辨率通常会因声速的变化而降低。
[0004]实际上，在声学成像中的大部分时间，介质被视为均质的且具有恒定声速c0。然而，均质环境的假设并不总是适用。例如，在肝脏超声的情况下，探头放置在患者的肋骨之间。声波在到达目标器官之前穿过脂肪和肌肉层。软组织各自具有不同的机械特性。因此，声速远非均质的，并且它可以在例如脂肪组织的1450m/s与肝脏的1600m/s之间变化。声速的变化会导致波的不同相移，这取决于它们传播的区域。这会导致声波波前的像差，从而导致所得超声图像失真并因此降低其分辨率和对比度。这些像差可能导致例如在医学检查期间无法重建可靠的图像，从而影响结果。
[0005]如图1A到1C中所说明，常规超声方法使用压电换能器11阵列10，压电换能器可以独立地发射和/或接收超声脉冲。每个换能器的位置由向量u识别。当此阵列面向人们希望研究的介质放置时，可以以各种方式对介质进行声穿透和成像。
[0006]生成要研究的介质的超声图像的第一方式是从阵列的换能器中的一个发射超声脉冲，所述阵列的位置由向量u
in
(图1A，左图)识别。这产生1D(或2D)换能器阵列的发散圆柱形(或球形)入射波。此波由介质20的散射体21反射并且反向散射场由每个换能器11记录为时间的函数(图1A、右图)。通过每个换能器连续地用作源来重复此操作，测量每个换能器之间的脉冲响应的集合R(u
out
,u
in
,t)，其中向量u
out
表示检测器的位置。这些响应形成以换能器为基础表示的反射矩阵R
uu
(t)。此测量的优点在于，此矩阵包含有关所分析介质的所有信息，然后可以对其应用一组矩阵运算，以便例如对介质进行成像。另一方面，这种采集假设介质在测量的持续时间内保持固定，这在体内使用的情况下可能非常困难。另外，单个压电元件发射的能量很低，这会导致较差的信噪比。
[0007]已知用于生成要分析的介质的图像的其它方法，其中使用波束成形技术执行聚焦发射。如图1B的左图中所示，这些方法包括基于均质速度模型向换能器11施加一组适当的延迟，以便校正波的传播时间，以便所有脉冲一起到达位置r
in
处的目标焦点。所采用的假设声速将表示为c0。由于衍射的物理限制，所发射的超声波集中在由超声探头的孔口定界的区域中。为了构建超声图像，还在接收时执行聚焦步骤。接着处理由阵列10中的元件11捕获的回波集合，以模拟在接收时的透镜效果，如在图1B的右图中所示。由换能器接收的信号进行时移以使其回到相位中。这些延迟与发射时施加的延迟相同。在发射阶段，所有信号在位
置点r
in
处发生干扰。在接收时，来自此相同点r
out
＝r
in
的信号通过对弹道时间t＝(‖u
out
‑
r
in
‖+‖u
in
‑
r
in
‖)/c0的信号求和发生电子干扰。此总和提供在接收时的聚焦的最终结果。图1B中所说明的方法(称为在发射和接收时的共焦双聚焦方法)可以直接对介质的反射率成像，其具有受衍射限制的横向分辨率、仅受初始脉冲的持续时间限制的极佳轴向分辨率，以及极佳的对比度。然而，此方法是耗时的，因为它需要在每一行图像上在介质的每个点或至少在给定深度对发射进行物理聚焦。
[0008]最近开发的另一成像技术由通过用一系列平面波使声穿透介质来生成介质图像组成。图1C说明此所谓的平面波超声的原理，例如在G.Montaldo等人的文章“用于极高帧速率超声波检查和瞬态弹性成像的相干平面波复合(Coherent plane
‑
wave compounding for very high frame rate ultrasonography and transient elastography)”(《IEEE超声学、铁电体技术与频率控制汇刊》第56卷，第489到506页，2009年)中描述。在发射时对每个信号施加延迟(图1C、左图)以形成相对于换能器10阵列以角度θ
in
倾斜的波前。在接收(图1C、右图)时，由介质反向散射的场R(u
out
,θ
in
,t)通过用于一系列入射平面波的所有位置传感器u
out
测量，其中改变入射角θ
in
。这些响应的集合形成在作为输入的空间傅里叶基(或平面波基(plane wave basis))与作为输出的换能器基之间定义的反射矩阵R
uθ
(t)。一旦记录此矩阵，就在相干地求和之前对信号进行时移，以在发射和接收时对每个位置点r
in
的数据进行数字聚焦。因此，与标准超声(聚焦发射)相比，形成超声图像所需的数据捕获数目有利地减少，并且这对于超声图像的相同对比度和分辨率水平来说是正确的。
[0009]图2说明环境像差对常规超声成像方法(图1A到1C)的影响。当介质c(r)中的声速并不对应于具有恒定声速c0的均质介质的假设时，出现这些像差。最初基于此假设确定并在发射和接收时施加到阵列的每个换能器的延迟然后对于评估介质的图像来说不是最佳的。在图2中，像差层22引发入射波前的失真。在发射或激发时，在步骤25，所使用的延迟规则不允许声能集中在由衍射极限界定的区域中，所述区域通常称为焦斑。在接收时，在步骤26中，所使用的延迟规则不允许正确地选择源自介质焦点的超声信号，并且混合源自同样异常的焦斑的信号。这会导致图像构建过程中的双重像差，从而大大降低图像的分辨率。然后可以重新计算新的延迟规则以补偿像差层的影响，例如通过向波束成形中通常使用的延迟添加额外的延迟规则。
[0010]然而，这些像差校正并不完全校正这些像差或分辨率降低。需要更好地估计介质中的聚焦质量。
[0011]文档“脉冲回波测量中的冯西泰
‑
塞尼克定理(The van Cittert
‑
Zernike theorem in pulse echo measurements)”(Raoul Mallart和Mathias Fink，美国声学学会杂志90(5)，1991年11月)研究在简单的散射条件下由随机介质反射的场的统计特性。具体来说，已经证明，对于聚焦入射波，来自远场的反射场的空间协方差本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于介质的超声表征的方法，以确定超声聚焦的时间和局部表征，所述方法包括：
‑
通过换能器(11)阵列(10)在所述介质的区域中生成一系列入射超声波(US
in
)的步骤，所述系列的入射超声波是发射基(i)；以及
‑
生成在作为输入的所述发射基(i)与作为输出的接收基(u)之间定义的实验反射矩阵R
ui
(t)的步骤；
‑
确定聚焦反射矩阵RFoc(r
in
,r
out
,δt)的步骤，所述聚焦反射矩阵包括在空间位置r
in
的输入虚拟换能器(TV
in
)与空间位置r
out
的输出虚拟换能器(TV
out
)之间的所述介质的响应，在相对于所述输入虚拟换能器(TV
in
)的响应的时刻移位额外延迟δt的时刻获得所述输出虚拟换能器(TV
out
)的响应。2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括确定输入虚拟换能器(TV
in
)与多个输出虚拟换能器(TV
out
)之间的至少一个传播图像的步骤，所述输出虚拟换能器位于围绕空间位置r
in
的所述输入虚拟换能器(TV
in
)的空间位置r
out
处，对于预定额外延迟δt且在等于所述额外延迟的时刻从所述聚焦反射矩阵RFoc(r
in
,r
out
,δt)确定所述至少一个传播图像，此传播图像包含这些虚拟换能器之间的波传播的表示。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过针对在额外延迟间隔内获得的多个额外的时间上连续延迟δt确定多个传播图像来构建超声波传播膜。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述额外延迟间隔是围绕零值对称且振幅为δt
max
的间隔。5.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括组合步骤，其中执行一组传播膜的线性组合，在不同空间位置r
in
的输入虚拟换能器(TV
in
)与空间位置r
out
的选定输出虚拟换能器(TV
out
)之间获得每个传播膜，使得r
out
＝Δr
out
+r
in
，其中Δr
out
预定义且针对所述集合的所有传播膜相同，并且所述选定输入虚拟换能器彼此靠近，以便获得对应于参考输入虚拟换能器(TV
in,ref
)且针对所述相同额外延迟δt的相干波传播膜。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过计算所述传播膜集合的奇异值分解(SVD)以获得与所述奇异值分解的最大绝对值的奇异值相关联的奇异向量(V1)来确定所述线性组合，此奇异向量(V1)随后是对应于所述参考输入虚拟换能器(TV
in,ref
)且针对所述相同额外延迟δt的所述相干波传播膜。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过构建级联聚焦反射矩阵(RFoc') 来执行所述奇异值分解(SVD)的计算，其中此级联聚焦反射矩阵的行是所述选定输入虚拟换能器，并且此级联聚焦反射矩阵的列是用于这些选定输入虚拟换能器的所述传播膜。8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其进一步包括针对输入虚拟换能器(TV
in
)以及针对额外延迟间隔确定波前图像的步骤，所述波前图像基于以下项确定：
‑
所述聚焦反射矩阵RFoc(r
in
，r
out
，δt)，以及
‑
类型δt(Δr
out
)＝
‑
sign(Δz
out
)
·
|Δr
out
|/c0的弹道传播关系，其可以从所述聚焦反射矩阵提取值以便构建所述波前图像，并且其中：δt是所述额外延迟，c0是所述介质中的声速，|Δr
out
|是所述输入虚拟换能器(TV
in
)与所述输出虚拟换能器(TV

【专利技术属性】
技术研发人员：威廉姆，
申请(专利权)人：国家科学研究中心巴黎市工业物理化学学校，
类型：发明
国别省市：