专利名称：检测在医学超声波成像中的小型缺陷的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于分析在干扰结构内潜在包括缺陷的有机介质的方法，所述介质通过由一组转换器发射的超声波信号来激发。本发明特别涉及医学成像和可以在超声波成像设备中实现的先进功能。本发明特别涉及胸部成像以及在胸部中的微钙化的检测。
从文章“Ultrasonic Nondestructive Testing of ScatteringMediausing the Decomposition of the Time-Reversal Operator”中已知这种方法，所述文章由E.Kerbrat，C.Prada，D.Cassereau和M.Fink于2002年8月刊登于关于超声波、铁电体和频率控制的IEEE学报，第49卷，No 8。已知方法提出使用分解时间反转操作符来学习所述介质。依照所提出的方法，由短激发来激发在转换器阵列中的第一转换器，并且在所述阵列中的所有转换器上接收由响应于所述介质所产生的信号。对于每个转换器用相同的激发来重复这一操作。然后通过生成所述介质响应的傅立叶变换来获得正方转移矩阵K。然后时间反转操作符由K*K定义并且可以被对角化。明显不为零的特征值的数目等于由所述方法检测的缺陷的数目。然后借助于计算特征向量来定位所述缺陷。
在该文档中提出的方法具有对于该方法来说要求许多激发的缺点。这些激发的特定特性使得只考虑存在于所述介质的一些信息成为可能。因此必须并行于且独立于所述介质的其它声透射来使用该方法，所述声透射使访问其它信息成为可能，以便例如获得所述介质的图像。另外，不能由普通的超声波成像设备来进行这些特定的激发，并且因此必须使用特定的设备。这在医学成像领域是一个问题，该领域要求容易并迅速地获取数据，这是因为应用要求迅速甚至是实时的结果。另外，依照这里公开的方法，把很少能量发送到所述介质并且这导致所述超声波受限的传播。该受限的传播使得不可能形成正确的超声波图像。
本发明的一个目的是提供一种分析在干扰结构内潜在包括缺陷的介质的方法，所述介质由不具有现有技术中方法的缺点的超声波信号来激发。
本发明的目的借助于依照介绍段落中的分析方法来实现，以致依照M个清晰连续的激发把超声波信号聚焦在给定深度，以便在接收来自所述介质的响应之后获得所述深度的图像，如此其还包括步骤-构造维数N*M的矩形响应矩阵，其中系数Knm表示由转换器n按照激发m所接收的介质响应，-把所述响应矩阵分解为奇异值，-使用对应于所述奇异值的奇异向量以便定位对应于在所述介质中缺陷的奇异区域。
依照本发明，依照通常用于超声波成像的聚焦来激发所述介质，例如以连续的转换器或在转换器阵列中所述转换器的连续几何片断为中心。
本发明使用在每个转换器上分别接收的介质的回波扫描(echographic)响应，以便定位在所述介质内的缺陷。因此本发明不要求任何特别地去激发介质，并且因此可以实现单数据获取。另外，可以在进行了较小修改的超声波成像设备中实现本发明，以便获得对检测并定位反射物的明显改进，所述反射物是按照所述反射属性的局部修改的奇异区域的原点。
在第一实施例中，对于多个频率获得响应矩阵Knm。实际上以下应当注意，对于所有频率，各个奇异值并不显得具有相同的强度。从而构造几个响应矩阵可能是有益的，每一个响应矩阵对应于来自多个频率中的一个频率。
在有益的实施例中，对于所述介质的多个深度实现M个连续的激发。一般这样进行以便获得图像并且有益地用于构造在各个深度的响应矩阵，并且以便检测在所述介质的扩展区域上的奇异区域。
在本发明的优选实施例中，使用特征向量来定位奇异区域的步骤导致形成所述介质的二进制图像把值1分配给检测到相干反射物存在的区域，而把值0分配给其它地方(例如在干扰区域中)。该实施例的目的是允许显示由依照本发明方法给出的信息，并且尤其允许利用该信息以便例如使所述介质的声透射适合于处理检测缺陷不同的区域等。
本发明可以引入任何用于检测在介质内的相干反射物的超声波设备装置，所述干扰数据由所述相干反射物产生。从而本发明还涉及一种设备，意在分析在干扰结构内潜在包括缺陷的介质，所述设备包括一组转换器，用于依照M个清晰连续的激发来发射在给定深度聚焦的超声波信号，图像形成模块，用于在接收来自所述介质的响应之后获得所述深度的图像，以致其包括用于利用所述响应的模块，以便-构造维数为N*M的矩形响应矩阵，其中系数Knm表示由转换器n按照激发m接收的介质的响应，-把所述响应矩阵分解为奇异值，-使用对应于所述奇异值的奇异向量以便定位对应于在所述介质中缺陷的奇异区域。
从而本发明在医学成像领域并且特别是在超声波成像领域中具有有益应用，这些领域所获得的图像通常有干扰并且难于检测相干的反射改变。从而依照本发明的设备通常为医学成像台。
通过使定位在组合图像上不可见的相干反射物成为可能，本发明还有助于改进所述成像结果并且可以允许在特定的医学成像情况下更精确而又准确的诊断。
本发明还涉及一种能够插入成像设备的信号利用模块，所述成像设备包括一组转换器，用于依照M个清晰连续的激发来发射在给定深度聚焦的超声波信号，图像形成模块，用于在接收来自所述介质的响应之后获得所述深度的图像，所述信号利用模块意在通过下列手段来利用来自所述介质的响应-构造维数N*M来自矩形响应矩阵，其中系数Knm表示由转换器n按照激发m所接收的来自介质响应，-把所述响应矩阵分解为奇异值，-使用对应于所述奇异值的奇异向量以便定位对应于在所述介质中缺陷的奇异区域。
参考附图中所示出的实施例的例子将进一步描述本发明，然而本发明并不受此限制。


图1是解释依照本发明接收来自介质的回波扫描信号并且形成矩形响应矩阵的图，图2是用于实现本发明的超声波成像设备的部分功能图，图3是依照本发明第一实施例获得的奇异值的图表，图4举例说明了依照本发明来定位奇异区域，图5举例说明了把本发明应用于超声波图象，图6是用于依照本发明分析介质的设备的一般功能图。
下列注解涉及参考信号。在所有图中用相同的字母指定类似的实体。在单个图中可以出现几个类似的实体。在这种情况下，把数字或后缀添加到字母标记之后以便区分类似的实体。为了方便可以省略所述数字或后缀。这适用于说明书和权利要求。
给出随后的描述以便使所属领域的技术人员能实现并利用本发明。优选实施例的各种替换物对所属领域的技术人员来说是显而易见的，并且这里所公开的本发明通用原理可以应用于其它实施例。从而不应把本发明视为局限于描述的实施例，而是具有依照如下所述原理和特征的最宽范围。
图1要求描述了解释依照本发明接收来自介质MID的回波扫描超声波信号的图。由聚焦的超声波FOC来激发介质MID。聚焦在转换器阵列ARR中的P个转换器TR上进行，所述转换器阵列ARR以这P个转换器的几何中央为中心。依照图1，P＝4。聚焦技术还使波集中在转换器阵列上任一点成为可能。依照本发明，接着把由介质MI D返回的回波扫描信号记录在转换器TR阵列ARR中的N个转换器AR的每一个上。依照通常用于医学成像的超声波获取方法，接着依照在P个转换器上的相同的聚焦来重复所述激发，但是在例如图1中由箭头SC表明的扫描方向上相对于前一个有一定偏移。从而，依照常规的扫描，进行M个获取。获取数目M可以变化并且一般不同于在转换器TR阵列AR中的转换器TR的数目N。另外，一般并且依照本发明有益的实施例对于由点F1、F2、F3表示的各个聚焦深度来进行常规的获取。在给定深度的每个获取给出在所述深度的特定信息。然而，这些激发使得不能响应于脉冲来访问中间元素，所述脉冲是实施现有技术所提出的方法的关键。
图2是用于实现本发明的超声波成像设备的部分功能图，该功能图尤其示出依照本发明使用由在转换器阵列中第一P个转换器上聚焦的宽频谱波产生的第一激发m＝1来进行的获取。例如，所述谱以频率3到5MHz为中心并且拥有总带宽40％的带宽。回波扫描信号S[n＝1，m＝1]...S[n＝N，m＝1]由每个转换器n按照激发m＝1独立地接收，其中n∈[1，N]，并且被发送到波束形成装置BF以便接着依照所属领域的技术人员所熟知的装置来产生超声波图像。参照图5，该超声波图像一般可以看见介质MID和包括在该介质MID内的对象OBJ，但是不能区分在一般干扰图像中的小型缺陷X，特别是在存在斑点噪声的图像中。该对象例如可以是器官，而小的缺陷是由于存在生病区域所导致的反射物。从而，对于胸部来说，小的缺陷可以是微钙化。依照本发明，还把由在整个转换器阵列中的每个转换器n独立接收的回波扫描信号S[1，m＝1]...S[N，m＝1](也被记为Sn1)发送到选择器SEL，所述选择器SEL选择在每个转换器接收的信号的时间部分。该时间部分一般对应于从存在于图1的焦点F(1，2或3)附近接收的信号。该附近的量级取决于用户希望在对巨大深度的检测和精确性检测之间的折中。然后依照通常用于医学超声波成像中使用的技术来沿着转换器阵列进行扫描m个激发。对于扫描M个激发的介质的激发m的每一个来说，选择所接收的S[1，m]...S[N，m]信号的时间部分，从而m包括在[1，M]中。把这些信号时间部分表示为Knm或k[n，m]，并且是时间函数。然后把这些信号部分k[n，m]发送到模块PEM以便特别利用这些信号。对于扫描的每个激发m，该模块PEM在存储器中存储由转换器n从对应于某个深度间隔的介质MID接收的响应函数Snm的部分Knm。信号Knm(t)的傅立叶变换给出被称为响应矩阵的矩阵K＝(Knm(ω))1≤n≤N；1≤m≤M。从而获得系数Knm矩阵，每个系数Knm表示介质对由元素n按照介质的聚焦激发m所接收的给定激发频率的响应。该矩阵是矩形并且可以依照使其离散来计算所述谱的每个频率。对于单频可以只获得一个矩阵，但是结果可能不会那么精确。还可以挑选所选择的频率以便符合介质中分辨率和衰减的约束。实际上依照本发明通过获取所述介质的常规的超声波图像来规定这种频率。
模块PEM接下来计算把奇异值分解为响应矩阵K。有效地是，该分解特别用于奇异系统的分辨率，并且可以把具有实系数或复系数的维数NM的矩阵分解为K＝UDV的形式，U是维数NN的单位矩阵，V是维数MM的单位矩阵，而D是维数NM的对角矩阵。维数NM的矩阵D的对角元素只不过是矩阵k#k的奇异值的平方根，其中k#是转置的共轭。
矩阵k#k的奇异向量是列U。
在第一实施例中，模块PEM对于多个频率计算多个响应矩阵。在这种情况下，获得表示依照存在于图3中频率f的奇异值VP的振幅AMP的图。对于相同的频率值，奇异值VP1、VP2、VP3并不都显得具有相同的有关强度。按照在信号反射中的局部变化来标记在介质中的缺陷，并且因此可以由反射物项来考虑并定义所述缺陷。对于时间反转操作符的对角线化的简单方法，在文档“Eigenmodes of theTime-Reversal OperatorA Solution to Selective Focusing inMultiple-Target Media”中，C.Prada，M.Fink，Wave Motion20/1994，第151-163页中研究了在存在反射物和存在非零奇异值之间的一致性。可以看出本发明还可以获得该一致性。从而，依照本发明，在研究的频域中构造的矩阵的非零奇异值揭示了反射物的存在。因此一致性是奇异值＝反射物，并且最大的奇异值对应于最大的反射物。
依照第一实施例，对于各个频率构造多个矩阵，并且接着可以计算所述特征向量即矩阵的列U的傅里叶逆变换。这可以获得对应于奇异频率向量的奇异时间矢量。反过来可以简单地传播介质中奇异时间矢量，以便确定压力场，所述压力场的最大量对应于在介质中的缺陷。在相位和振幅中返回传播奇异向量使用例如接收聚焦技术，并且一般由模拟在介质内声场的数字装置来完成。在实践中，由软件执行概念时间波传播的功能。例如在图4中，传播奇异时间向量的第一技术使得以某种方式来填色高压区域PFI。还可以获得具有彩色级别的图像。
还可以提出用于对于每个介质深度来重构传播矩阵从而使其离散的软件。然后获得通过从感测器平面到给定深度平面的矩阵，这使定位在维数Y上的反射物成为可能。使用有益的实施例，各个深度的重构可以是依照在各个深度并且使之离散的方式来聚焦的波的介质声透射的结果。例如在图1中，实现三个聚焦深度F1、F2、F3，并且对于这三个深度构造传播矩阵。用于定位上面提出的奇异区域的两个技术可以隔离一个区域，并且在实践中可以显示在介质MID的常规超声波图像上的压力场PFI，所述介质MID包括存在于图5中的对象OBJ。因此在研究的超声波图像区域上进行标记以便定位一个或多个缺陷。例如，依靠本发明，在胸部中的微钙化是可检测的，尽管其可能不在常规的超声波图像上产生噪声(“斑点”)。
可以对于采用超声波获取的所有类型的医学成像实施本发明。依照本发明，在依照用于超声波成像的各种类型的聚焦进行激发之后，可以使用由有机介质给出的响应。还可以独立于本发明调整行密度(即在两个连续激发之间的几何间隔)，以便使本发明给出的结果在横向上更为精确。从而可以使数目M大于N。在这种情况下，要解决的系统退化了。
还可以使用本发明来形成适应的声透射束奇异向量可以在错综复杂的区域发送强压力场，并且因此可以在该区域具有更精确的信息。
图6示意地描述了其中实现依照本发明方法的设备。可以不可拆卸地或者采用模块形式实施本发明，把反射物检测模块添加到常规的超声波设备。该检测模块接收独立于超声波设备的转换器的回波扫描信号，并且包括例如如上所述的选择器SEL和利用模块PEM。在图6中，描述了其中本发明是固定的设备。
该设备包括探测器PROB，其包括接收元件TR，所述探测器由常规装置连接到数据处理设备LAB。除用于依照超声波成像已知技术来形成返回波束和图像的模块BF之外，任何数据处理设备LAB包括如前所述的选择器SEL和操作模块PEM。把设备LAB连接到显示模块DIS，借助于常规显示功能，除通常由超声波设备获得的图像之外，所述显示模块DIS显示可以根据依靠模块PEM获得的信息而构造的图像。组合模块CMB把例如由波束形成装置BF获得的数据和由操作模块PEM获得的数据组合。接下来把组合模块CMB连接到显示模块DIS。从而依照本发明可以获得存在于图5的图像并且定位奇异区域。与本发明的应用无关，可以使用任何方式来图形表示奇异区域(二进制图像，包围所述区域等)的装置。有益地把用户界面UIF连接到设备LAB，以便控制该设备并且使其参数化例如，可以由用户修改检测阈值，以及深度增量值，所述深度增量值可以确定反射物的定位/检测的精确性，所述反射物为本发明的对象。
本发明可以获得在均匀介质内任何反射缺陷的精确位置，为此获得干扰信号(“斑点”)，在所述信号内，一般难于用已知装置检测这种缺陷。依照其应用之一，本发明有益地涉及复合成像，包括由在不同方向上声穿透介质以及组合所述结果，以便获得更完整的并且较少干扰的图像。
先前存在的、用于满足存在于依照本发明方法步骤的功能的模块可以被集成为在常规超声波设备中作为附加应用，或者在独立的设备中使用，所述独立的设备意在连接到常规的超声波设备以便满足依照本发明的功能。存在多种方式由可由所属领域的技术人员访问的软件和/或硬件装置来实现存在于依照本发明方法的步骤的功能。这也是为什么所述附图是示意性的。从而，尽管所述附图示出由各个单元执行的各个功能，这并不排除可以满足几个功能的单个软件和/或硬件装置。也不排除可以满足功能的软件和/或硬件装置的组合。尽管已经依照给出的实施例描述了本发明，所属领域的技术人员将立即认识到存在给出实施例的变形，并且这些变形仍然在本发明的精神和范围内。从而在不脱离下列权利要求定义的精神和范围的情况下，可以由所属领域的技术人员实现许多修改。
权利要求
1.一种分析在干扰结构内潜在包括缺陷的有机介质的方法，以致由一组N个转换器发射的并在M个清晰连续的激发中在给定深度聚焦的超声波信号来激励所述介质，以便在接收来自所述介质的响应之后获得所述深度的图像，如此其还包括步骤-构造维数N*M的矩形响应矩阵，其中系数Knm表示由转换器n按照激发m所接收的介质响应，-把所述响应矩阵分解为奇异值，-使用对应于所述奇异值的奇异向量以便定位对应于在所述介质中缺陷的奇异区域。
2.如权利要求1所述的分析方法，其中对于多个频率获得响应矩阵Knm。
3.如权利要求1或2之一所述的分析方法，其中对于所述介质的多个深度进行M个连续的激发。
4.一种意在分析在干扰结构内潜在包括缺陷的介质的超声波医学成像设备，所述设备包括一组转换器，用于依照M个清晰连续的激发发射在给定深度聚焦的超声波信号，图像形成模块，用于在接收来自所述介质的响应之后获得所述深度的图像，以致其包括用于利用所述响应的模块，以便-构造维数N*M的矩形响应矩阵，其中系数Knm表示由转换器n按照激发m所接收的介质响应，-把所述响应矩阵分解为奇异值，-使用对应于所述奇异值的奇异向量以便定位对应于在所述介质中缺陷的奇异区域。
5.如权利要求4所述的设备，以致对于多个频率来构造响应矩阵Knm。
6.如权利要求4或5之一所述的设备，其中对于所述有机介质的多个深度进行M个连续的激发。
7.一种计算机程序产品，意在由在如权利要求4到6之一所述的所用设备内的处理器执行，其特征在于其包括一组指令，用于执行如权利要求1到3之一所述的分析有机介质的方法的步骤。
全文摘要
本发明涉及一种超声波医学成像设备，其意在分析在干扰结构内潜在包括缺陷的有机介质。依照M个清晰连续的激发来发射在给定深度聚焦的超声波信号，并且图像形成模块在接收来自所述介质的响应之后可以获得所述深度的图像。本发明是涉及的设备包括用于使用所述响应来构造维数N*M的矩形响应矩阵的模块，其中系数K
文档编号G01S15/89GK1731955SQ200380107910
公开日2006年2月8日 申请日期2003年12月17日 优先权日2002年12月30日
发明者C·普拉达, C·科亨－巴里伊, M·芬克, R·R·恩特雷金 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司