用于对象的合成孔径超声成像的系统和方法技术方案

公开了用于使用并入对象模型的波束形成器进行合成孔径超声成像的技术、系统和设备。在一些方面，一种系统包括：换能器阵列，用于对对象发送和/或接收声学信号，其利用对象形成系统的合成孔径；对象波束形成器单元，用于(i)根据换能器相对于对象模型的位置、朝向和/或几何形状对对象进行相干波束形成，以及(ii)产生波束形成输出信号，该输出信号包括从对声学回波进行波束形成得到的关于对象的空间信息；数据处理单元，用于处理数据，并且基于由数据处理单元确定的相对于阵列的坐标系的对象的位置、朝向、几何形状和/或表面属性的再现而产生对象的图像。生对象的图像。生对象的图像。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于对象的合成孔径超声成像的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利文档要求2020年11月13日提交的题为“SYSTEMS AND METHODS FOR TOMOGRAPHIC SYNTHETIC APERTURE ULTRASOUND IMAGING OF AN OBJECT PRODUCING SURFACE REFLECTIONS”的美国临时专利申请第63/113536号的优先权和利益。前述专利申请的整体内容通过引用被并入作为本专利文档的公开内容的一部分。


[0003]本专利文档涉及多维声学图像形成。

技术介绍

[0004]声学成像是一种成像模态，其在包括医学成像在内的各种应用中，采用通过介质传播的声波的特性以及声能与介质之间的相互作用来获得介质或介质区域的图像。

技术实现思路

[0005]公开了用于与点散射体的传统成像相比使用由多个空间上分离的发送器、接收器和/或发送器和接收器(即，收发器)组成的孔径来生成对象整体的图像设备、系统和方法，以使得来自对象的声学散射结合对象波束形成器和定位对象的优化方法来有效产生对象的合成孔径。在一些实施方式中，所公开的系统、设备和方法提供精密的对象特征检测器和定位器，其可以识别对象表面上的特定点或区域，使得能够测量对象上的特定点或区域相对于彼此和/或相对于换能器阵列的距离和角度。在一些实施方式中，所公开的系统、设备和方法提供整个对象相对于系统的参考系的位置和朝向(orientation)。
[0006]在一些实施例中，根据合成孔径成像和反射断层扫描(tomography)的标准实践，成像孔径以使得对象从许多方向被声穿透并且从许多方向接收到返回的回波的方式，形成部分或完全地围绕待成像的对象的断层扫描孔径。然而，所公开的系统、设备和方法使用根据合成孔径反射断层扫描的发送和接收方法结合对象波束形成器和在三维中定位对象的优化方法来形成对象的图像，而不是通过断层扫描来形成对象的3D图像，例如，根据以传统方式生成的对象的两个或更多个2D横截面波束形成图像来重构对象。
[0007]在一些实施例中，一种断层扫描合成孔径声学成像系统包括：(i)换能器元件阵列，可操作用于发送、接收和/或发送和接收声学信号从而利用对象形成合成孔径；(ii)对象波束形成器单元，用于生成波束形成器，该波束形成器(a)根据换能器元件阵列的几何形状、位置和朝向以及对象模型来相干地定位对象的一个或多个区域，以及(b)产生作为所有输入的函数的一个或多个波束形成输出信号；以及(iii)显示单元，用于显示定位的对象，例如，使得对象的再现可以被可视化并在阵列的参考系或任何(多个)外部参考系中是有用的并且可操作用于更新和可视化对象与阵列之间的相对运动。在一些实施例中，例如，断层扫描合成孔径声学成像系统可以被配置为定位一个或多个对象表面上的一个或多个区域，并且提供测量两个或更多个区域之间的距离和角度的手段。
[0008]在一些方面，一种断层扫描合成孔径声学成像系统包括：换能器元件阵列，可操作用于对对象发送、接收和/或发送和接收声学信号，其利用对象形成声学成像系统的合成孔径，其中声学信号包括发送的声学信号和接收的从对象返回的声学回波；对象波束形成器单元，包括一个或多个处理器和一个或多个存储器，并且被配置为(i)根据换能器元件阵列相对于对象模型的位置、朝向和/或几何形状来针对对象的一个或多个区域对对象进行波束形成，对象模型包括表示对象的信息，以及(ii)产生数字格式的一个或多个波束形成输出信号，该一个或多个波束形成输出信号包括从对声学回波进行波束形成中得到的关于对象的一个或多个区域的空间信息；数据处理单元，包括处理器和存储器，与对象波束形成器单元和换能器元件阵列进行通信，并且被配置为优化一个或多个波束形成输出信号，以确定位置、朝向、几何形状或物理属性集合中的一个或多个；以及显示单元，可操作用于基于由数据处理单元确定的相对于换能器元件阵列的坐标系的位置、朝向、几何形状或物理属性集合中的一个或多个的再现来产生对象的图像。
[0009]在根据本技术的一些实施例中(示例B36)，一种用于断层扫描合成孔径声学成像的方法包括：由换能器元件阵列的换能器元件通过基于对对象发送换能的声学波形和接收从对象返回的声学回波而形成合成孔径来对对象发送声学信号和从对象接收声学信号；使用接收的从对象的一个或多个区域返回的返回声学回波的回波样本对对象进行波束形成，以产生一个或多个波束形成输出信号，其中一个或多个波束形成输出信号是用于波束形成的一个或多个输入的函数，其中用于波束形成的一个或多个输入包括表示对象的信息；优化一个或多个波束形成输出信号，以确定对象的位置、朝向、几何形状或物理属性集合中的一个或多个；以及基于对象的位置、朝向、几何形状或物理属性集合中的一个或多个的再现来产生对象的图像。
附图说明
[0010]图1A示出了合成孔径的简单示例，该合成孔径包括也作为接收器进行操作的发送器元件和单独的接收元件。
[0011]图1B示出了利用合成孔径创建的虚拟元件的概念。
[0012]图1C示出了与图1A相比作为对象的位置变化的函数的对象表面上的空间采样的概念。
[0013]图1D示出了对对象表面上标记为“A
”‑“
F”的六个空间上分离的散射区域进行采样的、包括作为发送器和接收器两者的三个元件合成孔径的概念。
[0014]图1E示出了说明根据本技术的断层扫描合成孔径超声系统的示例实施例的图。
[0015]图1F
‑
图1H示出了根据本技术的示例断层扫描合成孔径超声系统的换能器元件阵列的示例实施例的示意图。
[0016]图1I示出了说明根据本技术的示例换能器元件阵列的换能器阵列分段的示例实施例的图。
[0017]图2示出了根据本技术的经由合成孔径发送和接收的超声信号对对象表面进行波束形成的方法的示例实施方式的图。
[0018]图3示出了描绘在使用根据本技术的示例对象波束形成器技术的数值仿真的示例实施方式中使用的几何形状的图表。
[0019]图4示出了描绘仿真的接收回波的图表，其中在纵轴上是以微秒为单位的时间，在横轴上是回波索引。
[0020]图5示出了描绘在示例实施方式中用于旋转和平移的示例对象波束形成器的输出的数据图表。
[0021]图6示出了描绘针对旋转和平移幅度范围的图5所示的示例对象波束形成器的输出的归一化积分功率的数据图表。
[0022]图7示出了根据本技术的断层扫描合成孔径对象成像系统的另一示例实施例的图。
[0023]图8A示出了说明根据本技术用于通过对对象整体进行波束形成来进行对象的断层扫描合成孔径成像的方法的示例实施例的图。
[0024]图8B示出了说明根据图8A的方法的在图7所示的断层扫描合成孔径对象成像系统上可操作的前端硬件和软件模块的示例实施例的数据和变量流程图。
[0025]图8C示出了说明根据图8A的方法并且延续图8B的实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种合成孔径声学成像系统，包括：不同声学换能器设备的阵列，所述不同声学换能器设备位于靶标对象周围的不同位置并且被配置为对对象发送、接收和/或发送和接收声学信号，以便利用所述对象实现所述声学成像系统的合成孔径，其中所述声学信号包括发送的声学信号和接收的从所述对象返回的声学回波；以及计算设备，与所述不同声学换能器设备的阵列进行通信并且包括处理器和存储器，所述计算设备包括对象波束形成器单元，所述对象波束形成器单元被配置为(i)通过根据换能器元件阵列相对于对象模型的位置、朝向和/或几何形状而至少组合所述对象的一个或多个区域的至少一些接收的声学回波来对所述对象进行波束形成，所述对象模型包括表示所述对象的信息，以及(ii)产生一个或多个波束形成输出信号，所述一个或多个波束形成输出信号包括从对声学回波进行波束形成中得到的关于所述对象的一个或多个区域的空间信息，并且所述计算设备包括数据处理单元，所述数据处理单元与所述对象波束形成器单元进行数据通信并且被配置为(i)优化一个或多个波束形成输出信号，以确定位置、朝向、几何形状或物理属性集合中的一个或多个，以及(ii)基于由所述数据处理单元确定的相对于所述换能器元件阵列的坐标系的所述位置、朝向、几何形状或物理属性集合中的一个或多个的再现而产生所述对象的图像。2.根据权利要求1所述的系统，包括：发送器和接收器电路，耦合到所述换能器元件阵列，并且被配置为(i)产生和/或处理作为数字信号的发送声学波形，以由所述阵列的一个或多个选定的发送换能器元件进行换能并且作为所述一个或多个声学波形发送，以及(ii)将在所述阵列的一个或多个选定的接收换能器元件处接收的声学回波转换成表示声学返回回波波形的数字信号。3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述对象波束形成器单元被配置为(i)基于所述换能器元件阵列的几何形状和所述对象模型来计算延迟和权重，以及(ii)生成与产生的一个或多个波束形成输出信号相对应的数字信号，所述一个或多个波束形成输出信号是从根据计算的延迟和权重对声学回波进行波束形成中得到的。4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述数据处理单元被配置为通过以下方式优化由所述对象波束形成器单元产生的一个或多个波束形成输出信号：(i)处理所述一个或多个波束形成输出信号，以产生与所述一个或多个波束形成输出信号相关联的至少一个标量输出，(ii)处理所述至少一个标量输出，以产生与所述换能器元件阵列和/或所述对象模型相关联的优化参数，(iii)指示所述对象波束形成器单元利用更新的与所述换能器元件阵列和/或所述对象模型相关联的优化参数对所述对象进行重新波束形成，以产生更新的一个或多个波束形成输出信号，以及(iv)通过(a)将所述至少一个标量输出与阈值进行比较、(b)将所述至少一个标量输出的差分变化与阈值进行比较、和/或(c)将至少一个所述优化参数和/或至少一个所述优化参数的差分变化与阈值进行比较来检测所述对象。5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述数据处理单元被配置为通过将所述至少一个标量输出与所述阈值进行比较并且基于一个或多个优化参数的收敛满足一个或多个阈值来检测所述对象。6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述优化参数包括优化器输出、步长、最优性度量
或残差中的一个或多个。7.根据权利要求4所述的系统，其中，由所述数据处理单元产生的至少一个标量输出包括从积分功率、峰功率、峰振幅、峰幅度、均方根振幅、均方根幅度、平均振幅、平均幅度、峰到峰振幅、峰自相关幅度、峰自相关振幅、频谱带宽或频谱中心频率中的一个或多个中得出的波束形成回波的定量值。8.根据权利要求4所述的系统，其中，由所述数据处理单元产生的至少一个标量输出包括通过以下方式获得的波束形成回波的定量值：(i)使用平均绝对差、平均欧几里德距离、平均编辑距离、峰互相关幅度或峰互相关振幅、峰卷积幅度、峰卷积振幅、峰相干性和峰幅度平方相干性中的一个或多个将接收的从所述对象返回的声学回波与存储的回波进行匹配；其中所述存储的回波是从经校准的来自所述对象的波束形成回波、测量的来自所述对象的回波、测量的发送冲激响应、测量的接收冲激响应、发送/接收冲激响应、系统冲激响应、发送波形、与自身卷积的发送波形、经滤波的发送波形、解析发送波形、加窗的发送波形、解调的发送波形、数学定义的发送波形或数学定义的系统冲激响应中的一个或多个中得出的。9.根据权利要求4所述的系统，其中，所述数据处理单元或所述对象波束形成器单元被配置为生成包括两次或更多次迭代的优化，以产生与所述对象的两个或更多个波束形成回波相对应的一个标量输出中的两个或更多个标量输出，使得可以选择一个标量输出中的两个或更多个标量输出中的较优者，所述对象的两个或更多个波束形成回波对应于描述所述换能器元件阵列和/或所述对象的两个或更多个参数集。10.根据权利要求9所述的系统，其中，当所述优化在与所述对象的两个或更多个重新波束形成回波相对应的一个标量输出中的两个或更多个标量输出中产生低于阈值的不显著变化时，检测到所述对象，所述对象的两个或更多个重新波束形成回波对应于描述所述换能器元件阵列和/或所述对象的两个或更多个参数集。11.根据权利要求9所述的系统，其中，当所述优化在对应于所述对象的两个或更多个重新波束形成回波的描述所述换能器元件阵列和/或所述对象的两个或更多个参数集和/或两个或更多个参数集的函数中产生低于阈值的不显著变化时，检测到所述对象。12.根据权利要求11所述的系统，其中，应用于所述两个或更多个参数集的函数包括欧几里德范数、曼哈顿范数、p范数、最大范数、复合范数、非对称范数和马哈拉诺比斯距离中的一个或多个。13.根据权利要求11所述的系统，其中，相同的函数被应用于两个或更多个参数集，以产生表示两个或更多个参数集的两个或更多个标量。14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述对象波束形成器单元被配置为通过对所述对象模型的多个区域中的每个区域单独进行相干对象波束形成并且随后在目标函数中对从被进行相干对象波束形成的每个区域获得的信号进行相干组合，来针对所述对象的多个区域对所述对象进行相干波束形成。15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述对象波束形成器单元被配置为通过对所述对象模型的多个区域中的每个区域单独进行相干对象波束形成、并且随后在目标函数中对从进行相干对象波束形成的每个区域获得的信号进行非相干组合，来针对所述对象的多个区域对所述对象进行相干波束形成。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述对象的物理属性集合包括所述对象的一个或多个表面属性、一个或多个体积属性、或者一个或多个表面属性和一个或多个体积属性两者。17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述对象的物理属性集合包括所述对象的密度、体积模量或声学属性。18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述对象波束形成器单元被配置为使用相同的合成孔径回波集合来对所述对象进行重新波束形成。19.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：D，
申请(专利权)人：决策科学医疗有限责任公司，
类型：发明
国别省市：