专利名称：重采样超声波数据的方法
技术领域：
本发明涉及为了重采样的抗混叠或重构的超声波扫描数据的多维滤波，其目的是缩放、插值及提取。
背景技术：
超声波诊断成像系统被心脏病学家、产科医生、放射师及其他人广泛用于心脏、发育中的胎儿、内腹器官及其他解剖结构的检查。常规的超声波成像系统包括一列超声波换能器，这些超声波换能器发射超声波能量的波到主体，接收从这些波投射到其上的组织散射的超声波回波信号。所发射的波从每个换能器整形和调时以便它们形成从换能器阵列表面辐射的超声波束(也称为“视线”)(该 过程称为“波束形成”)所接收的回波信号也被处理以加强波束形成的效果，以便所接收的信号表示沿着视线测量的超声波散射。所接收的信号被采样和数字化以提供表示在被扫描的容积内在多个空间位置的超声波散射的ー个样本阵列。这些样本提供信号在由间隔(通常为时间间隔、空间距离或角度)分离开的特定位置(通常在空间和时间中的位置)处的测量值。常用或便于超声波数据的分析、处理或表示的坐标系通常不同于由原始扫描几何形状所确定的坐标系。因此原始样本数据必须被重采样和处理以提供沿着新的目标坐标轴在均匀间隔位置的ー个样本阵列。例如用于处理和表现超声波数据的最常用的坐标系是直角笛卡尔坐标系(因为显示器倾向于是直角的并且因为大多数处理算法假设ー个直角笛卡尔输入)，因此数据必须被重采样以便在直角笛卡尔坐标系中均匀间隔开从而准备用于处理或表现。由于每个样本表示相同的容积，直角笛卡尔采样坐标系也便于处理和分析。因此在该情况中原始样本数据必须被重采样以提供沿着直角笛卡尔坐标轴在均匀间隔位置处的ー个样本阵列。通常期望超声波图像的一系列样本可以用来计算更大或更小的集合，其样本间距可以比原始集合的那些更小或更大，并且其样本位置可以位于输入样本之间，并且其中一些原始样本不再是所期望的，并且这要求重采样。重采样的过程应该满足奈奎斯持-香农采样定理的要求(下文称为采样定理)，该定理确定了ー些条件，在这些条件下一系列样本可以完全确定潜在连续信号。特别地，采样定理要求在重采样过程中输入样本必须使用滤波器滤波，这些滤波器的特征取决于原始和新的样本间距。设计用于在超声波中的重采样的滤波器的当前方法使用不能满足采样定理要求的滤波器。在超声波中滤波和重采样的当前方法设计了相对于目标坐标系的滤波器，其中原始样本不是均匀间隔开的，因此不能直接应用采样定理。设计用于在超声波中重采样的滤波器的当前方法的目标是产生令人满意的视觉显示。“令人满意”没有正式的定义，但这通常是指视觉显示倾向于显示平滑的区域和明确的边界。真实潜在数据被失真以便产生视觉上令人满意的显示，因此失去有价值的信息，并且会引入错误的失真。这样的滤波器是基于不明确的效果如“平滑”的论点而设计的并且不是以直接应用采样定理为特征。特别地，不能满足采样定理的数学要求，因为令人满意的视觉显示不要求完全确定潜在信号。用于超声波中的重采样的滤波的当前方法使用了非线性滤波器(如“均值滤波器”)，在应用于采样定理时，不能直接计算其特征，并且因此这不能满足采样定理的要求。因此具有开发用于设计和实施用于重采样超声波数据的线性滤波器的新方法的需要,遵守采样定理的要求以便该数据不会失真,并且因此不会失去有价值的信息。因此本发明的目标是提供设计和实施用于对超声波扫描数据进行重采样的线性滤波器的新颖的方法和系统。本发明的又ー个目标是克服或改善现有技术的至少ー个缺点或提供对其的有用的替代方案。
发明内容
本发明涉及跨η维容积(下文称为“nD”)，例如(但不限干)3D空间容积，的超声波扫描数据的滤波和重采样。特别地，本发明涉及从其中采样是在适合于每个轴的単元中沿着该轴均匀间隔开的坐标几何形状中对超声波扫描数据进行重采样到其中原始样本不是均匀间隔开但其新的目标样本将均匀间隔开的不同的坐标空间中。例如，本发明涉及从沿着自然地匹配扫描几何形状的非笛卡尔坐标系的轴均匀分布的样本中进行重采样到沿着直角笛卡尔坐标系的轴均匀分布的采样。在一个实施方案中，该重采样使用在原始扫描坐标系中设计的抗混叠和重构滤波器。本发明涉及一种对超声波扫描数据进行重采样的方法，其方式为使得潜在信号仍完全根据奈奎斯特-香农采样定理来确定，并且其效果可以使用线性数学模型容易地计算。特别地，本发明涉及一种对超声波扫描数据进行重采样的方法，包括以下步骤a)获得从波束形成系统中获取的采样超声波扫描数据，该采样数据由具有η个轴的原始η维采样坐标系确定，这由超声波探针和扫描几何形状确定，其中当在适合于每个轴的单元中测量时该采样沿着该轴均匀间隔开；b)在目标η维坐标系中确定期望的目标样本位置，当在适合于每个轴的单元中测量时这些位置沿着该轴均匀间隔开；c)将在步骤(b)中确定的目标样本位置映射到步骤(a)的所述原始η维采样坐标系;d)量化步骤(C)的映射目标样本的位置以便它们落在原始样本位置之间的简单精确的整数子间距上；e)根据奈奎斯特-香农采样定理的应用设计一系列η维线性滤波器核，其中每个滤波器核针对相对于其最近邻居的原始样本位置的每个不同的目标样本位置，并且使用在它们各自的η维空间中的步骤(a)的采样数据的原始样本坐标和步骤(d)的期望的目标样本位置，可选地所述η维滤波器沿着原始扫描维度中的每个维度是可分离的 '及f)将在步骤(e)中设计的一系列η维线性滤波器核应用到步骤(a)的采样数据，每个滤波器应用到计算目标样本，从而获得重采样数据。本方法具有的优点是潜在信号仍完全确定并且可以进ー步处理和分析而没有信、息的失真或丢失。这是因为该方法允许通过直接应用采样定理来设计滤波器。相比较于本发明，现有技术方法设计在所期望的目标坐标系中的重采样滤波器，其中原始样本不是均匀间隔开的，并且因此使用采样定理的滤波器设计是不可能的(这假设均匀的样本间距):因此这些滤波器显示导致信息的失真或丢失。本发明人已经显示通过直接应用采样定理和香农方法用于重构，潜在信号保持完全确定并且可以进ー步处理和分析而没有信息的失真或丢失。本方法具有进ー步的优点可以为最小数据尺寸保持最大信息，并且因此允许存储要求和计算保持到最小。这是因为完全确定潜在信号所要求的最少样本数目和必要的滤波器设计可以通过应用采样定理的和滤波器长度估计(例如凯泽方法)来直接计算。相比较于本发明，现有技术不能直接应用采样定理以计算完全确定潜在信号所必 须的最少样本数目，从而使得会使用比必要的更多的样本，或信号会失真或信息会丢失。此外，本发明具有数学上正确和满足采样定理的优点，因此能够经受严格的数学分析。此外，因为目标样本的均匀间距，本方法具有提供通过使用多相实现来直接应用nD滤波器核的计算有效的实施的优点。相比较，现有技术方法具有相对于使滤波器实施复杂的滤波器核的原始样本的非均匀间距。本发明还提供了用于从各种原始η维扫描几何形状和样本空间对超声波扫描数据进行重采样到均匀的η维样本网格(通常但不仅是直角笛卡尔)，该样本网格便于进一歩处理并且在根据采样定理的測量保留原始信息和超声波扫描过程的物理特征的同时减少数据量。本发明通过提供η维样本空间极大地简化了 η维超声波扫描数据的显示、从中的特征提取及分析，该样本空间便于处理的并且減少了有待处理的数据量而没有真实信息的不当丢失。本发明特别地提供了一种对超声波扫描数据进行重采样的设备，该设备包括3D滤波器核设计�？�、3D重采样和滤波器核实现�？橐约�3D重采样模块。优选地本发明提供了在本文中定义被配置为执行根据本发明的对超声波扫描数据进行重采样的方法的设备。本发明还提供了ー种超声波处理系统，该系统包括(a)至少ー个用于获取散射、反射或发射的超声波扫描数据的装置；(b)至少ー个采样模块，及(c)至少ー个包括3D重采样模块的处理器，所述处理器被配置为设计3D滤波器核，并且实施3D重采样和滤波器核。优选地所述处理器被配置为根据本发明执行对超声波扫描数据进行重采样的方法。将进ー步详细描述本发明。在下面的段落中，更详细地确定了本发明的不同的方面。如此确定的每个方面可以与任何其他ー个方面或多个方面組合，除非明确表示相反。特别地，任何指示为优选的或有利的特征可以与任何其他的特征或指示为优选的或有利的特征组合。发明详细说明本发明涉及一种对超声波扫描数据进行重采样的方法，其方式为使得潜在信号仍根据奈奎斯特采样定理的要求完全确定，并且其效果可以容易地使用数据模型计算。例如，可以使用采样率转换的标准方法。采样率转换的合适的标准方法如在Crochiere和 Rabiner 的“多速率数字信号处理” (Multirate Digital Signal Processing) ISBN0-13-605162-6 中描述。香农采样定理(克劳德· E ·香农“IRE会报1949年I月第I期37卷，1998年2月第二期86卷,IEEE会报重�。按嬖谠肷耐ㄐ�(Communication in the presenceofnoise)”)陈述了限带信号完全由以均勻间隔分隔开的样本完全确定(Oppenheim和Schafer,离散时间信号处理(Discrete Time SignalProcessing) , Prentice Hall, ISBN0-13-216771-9)。即，若该信号通过已函数f (t)表示，其傅里叶变换不包含高于W的频率，则该信号由其以W/2间隔开的一系列点的坐标(样本)完全确定。间距W/2称为奈奎斯特间隔，并且是对于信号完全确定的采样之间的最大的间距。因此奈奎斯特间隔间距表示对于完全确定该信号的最少样本数及因此最少数据量的样本间距。此外，采样定理被证明适用 于其中样本间距是均匀的情况(g卩，所有的样本间隔开相等的距离)。如在本文中使用的术语“限带”是指信号的傅里叶变换或功率谱密度在一定有限的频率上是零(即，信号的傅里叶变换或功率谱密度具有有限的支持)。如在本文中使用的术语“完全确定”是指原始信号在任何坐标上的值可以从样本中重构。根据本发明，在重采样过程中，把输入样本用重构滤波器进行滤波，这些滤波器的特征取决于原始的和新的样本间距，并且其设计必须符合香农的规格。合适的重构滤波器例如在克劳德· E ·香农的IRE会报1949年I月第I期37卷与在Oppenheim和Schafer的“离散时间信号处理”(Discrete Time Signal Processing), Prentice Hall, ISBN0-13-216771-9 中描述。在一个实施方案中，本发明涉及一种对超声波扫描数据进行重米样的方法，包括以下步骤(a)获得从波束形成系统中获取的采样超声波扫描数据，该采样数据由具有η个轴的原始η维采样坐标系确定，这由超声波探针和扫描几何形状(以下称为“原始扫描坐标系”)确定的，其中当在适合于每个轴的単元中测量时该采样沿着该轴均匀间隔开；(b)在(期望的)目标η维坐标系中确定目标样本位置，当在适合于每个轴的単元中測量时这些位置沿着该轴均匀间隔开；(c)将在步骤(b)中确定的目标样本位置映射到步骤(a)的所述原始η维采样坐标系;(d)量化步骤(C)的映射目标样本的位置以便它们落在原始样本位置之间的简单精确的整数子间距上(并且因此这可以描述为当在适合每个于轴的単元中测量时具有沿着原始扫描坐标系的该轴的均匀间距);(e)根据奈奎斯持-香农采样定理的应用设计一系列η维线性滤波器核，其中每个滤波器核针对相对于其最近邻居的原始样本位置的每个不同的目标样本位置，并且使用在它们各自的η维空间中的步骤(a)的采样数据的原始样本坐标和步骤(d)的期望的目标样本位置(这些间距在两种情况中由位置量化步骤(d)表示为均匀的)，该设计是使得滤波器沿着每个轴维度是可分离的；以及(f)将在步骤(e)中设计的η维线性滤波器核中应用到步骤(a)的采样数据，每个滤波器应用到计算目标样本，从而获得重采样数据。
如在本文中使用的术语“重采样”是指对本应该在新的期望的样本位置获得的样本进行计算(从原始数据样本中)的过程。在一个实施方案中，本方法包括(a)获取从波束形成系统中获取的米样的超声波扫描数据的步骤。这些样本位置和単元由探针和扫描几何形状确定，并且使用匹配该扫描几何形状的坐标系最容易描述，并且根据对该轴是自然的単元，在其中这些样本沿着坐标轴中的每ー个轴均匀间隔开。例如，从ー个共同的中心向三个维度产生辐射波束的探针和扫描几何形状使用球极坐标系最容易描述径向维度与超声波视线的轴对准(在本文中也称为“轴”维度)，并且与表示波束在一个帧中的角位置(在本文中也称为“方位”维度)和帧的角位置(在本文中也称为“提升”维度)的两个角维度对准。
本方法的以下步骤包括(b)在目标η维坐标系中确定期望的目标样本位置，当在适合于每个轴的単元中測量时这些位置沿着该轴均匀间隔开；及(C)将目标样本位置映射到原始坐标系中。如在本文中使用的术语“映射”是指使用原始样本坐标系的坐标系表示目标样本位置。在这些映射的目标样本位置中的每个位置处的原始信号现在可以使用根据香农或另一个标准方法设计的重构滤波器来重构。该重构滤波器在原始扫描坐标系中设计。在本方法中的下一个步骤包括(d)量化映射的目标样本的位置以便它们落在原始样本位置之间的简单精确的整数子间距上，因此可以被描述为当在适合于每个轴的単元中测量时具有沿着原始扫描坐标系的该轴的均匀地间距开。每个目标样本现在具有相对于其邻居的ー个位置(“相对位置”是指在目标坐标和其最近的邻居的每个的坐标之间的差别)。目标样本相对于其邻居的的每个位置可以要求不同的重构插值滤波器。这意味着将需要较大数目的重构滤波器，其中每个滤波器针对每个唯一的相对目标样本位置。然而，若在原始坐标系中量化了所计算的目标样本位置(意思是逼近于有限数字精度)，则可以限制唯一的相对位置的数目及因此所要求的唯一的重构滤波器的数目。例如，若原始的扫描坐标以间隔d的整数倍间隔，则若目标样本坐标被量化为ー个小数位的数字精度，那么将仅有10个相对位置并因此仅10个要求的插值滤波器。如在本文中使用的术语“量化”是指表示为在某一数字精度的一系列坐标的位置转换到较低的数字精度。“对位置进行量化”在此是指计算目标样本的坐标(在原始扫描几何形状中)到某一数字精度，并且然后转换为更低的数字精度。例如，若坐标被计算为32比特IEEE浮点数字精度，则它们可以量化到16比特整数，或16比特小数点定制精度。步骤(d)的位置的量化減少了所要求的步骤(e)的不同的重构滤波器核的数目。目标样本相对于其邻居的的每个位置要求不同的重构插值滤波器。对位置进行量化減少了相对位置的数目及因此插值滤波器的数目。例如，若原始扫描坐标以间隔d的整数倍间隔，则若目标样本坐标被量化为ー个小数位的数字精度，那么将仅有10个唯一的插值滤波器。在一个实施方案中，不是所有的量化的点可以实际上在后面使用，即仅需要(或使用)这些潜在的量化点的一部分。例如，量化点的全部网格可以是目标网格的超集。在本方法中的下一个步骤包括(e)设计η维线性滤波器核，优选地设计一系列η维线性滤波器(优选地每个滤波器核针对相对于其最逼近的邻居的原始样本位置的每个不同的目标样本位置)，根据采样定理的应用以执行抗混叠或重构，基于原始样本的间距和在它们各自的η维空间中的新期望的目标样本位置(这些间距通过位置量化步骤在两个例子中表现为均匀的)，该设计可选地可以是使得这些滤波器沿着每个轴维度是可分离的。如在本文中使用，术语“线性”是指基于线性算子的使用的数学模型。如在本文中使用，术语“滤波器”是指应用到信号的线性算子。这包括但不限于用“滤波器核”卷积(卷积)该信号的操作；通过滤波器核的傅里叶变换的复共轭乘以信号的傅里叶变换的直接傅里叶域卷积的操作；或如在标准文本中描述的其他等价方法(例如Oppenheim和 Schafer,离散时间信号处理(Discrete Time Signal Processing), PrenticeHall, ISBN0-13-216771-9)。如在本文中使用，术语“核”是指与该信号卷积的有限数字集合，例如通过直接卷积(卷积)；通过滤波器核的傅里叶变换的复共轭乘以信号的傅里叶变换的直接傅里叶域卷积；或如在标准文本中描述的其他等价方法(例如Oppenheim和Schafer, ‘离散时间信号 处理(Discrete Time Signal Processing) , Prentice Hall, ISBN 0-13-216771-9)。如在本文中使用的术语“滤波器核”也可以称为滤波器“系数”或滤波器“脉冲响应”(史蒂芬· W ·斯密斯，“数字信号处理的科学家和工程师指南(The Scientist’ s andEngineer’ s Guide to Digital Signal Processing)，，，ISBN 0-9660176-4-1)。优选地该设计是使得滤波器沿着每个轴维度是可分离的。可分离性具有允许在每个维度中独立地允许该设计重构滤波器的优点。如在本文中使用，术语“可分离的”是指nD重构滤波器核的设计可以通过沿着原始扫描坐标系的维度的每个维度的分别设计ID滤波器核然后通过ー个流程来组合这些分离的ID滤波器来完成，该流程等价于将nD系列核样本初始化为值I ;及在该核的维度方向上连续乘以每个ID滤波器核，以产生nD核(史蒂芬*W·斯密斯，“数字信号处理的科学家和工程师指南(The Scientist，s and Engineer’ s Guide to Digital SignalProcessing)”，ISBN 0-9660176-4-1)。对可分离的ID核进行组合以产生nD核的过程可以通过将nD数据集合视为nD矩阵并且每个ID滤波器核视为ID矩阵(或矢量)来描述，并且连续计算每个ID矩阵与所产生的nD矩阵的张量积(玛丽· L ·博厄斯，“物理科学的数学方法(Mathematical Methods for the Physical Sciences)”，ISBN 0-471-04409-1)。在本方法中的下一个步骤包括(f)将该采样数据应用到所述η维线性滤波器(优选地应用所述系列的η维线性滤波器)，例如，通过直接卷积，例如使用多相实现，这导致最少的计算量，从而获得重采样数据。如在本文中使用，术语“卷积”是指ー个函数在X次另ー个函数在(u-x)的支集的间隔上的积分。在一个实施方案中，这可以特别地指该信号在X次滤波器核在U-x)的支集的间隔上的积分(史蒂芬《W·斯密斯，“数字信号处理的科学家和工程师指南(The Scientist’ s and Engineer’ s Guide to Digital Signal Processing)，，，ISBN0-9660176-4-1)。在一个实施方案中，所述方法包括当在适合于该轴的单兀中测量时，基于相对于原始扫描坐标系的坐标轴的输入和输出样本两者的均匀样本间距，通过直接应用采样定理来使用在扫描几何形状的自然空间中设计和应用的η维(下文称为nD)滤波器来将超声波数据重采样和插值到一致的η维样本空间，以便潜在信号保持完全确定。在一个实施方案中，为在确保潜在信号保持完全确定的同时对数据进行重米样，采样定理要求该数据使用抗混叠和重构滤波器滤波，其特征可以从原始样本间距和目标样本间距中容易计算，假设这两组间距是均匀的。但是在目标nD空间中，原始样本是不均匀间隔开的，因此采样定理不能被直接应用到设计在目标nD坐标空间中的要求的抗混叠和重构滤波器。然而，原始样本在原始扫描坐标几何形状空间中是均匀间隔开的，并且因此采样定理可以直接应用在该原始扫描坐标空间中以设计必须应用在原始扫描坐标空间中的滤波器。并且这样设计和应用的滤波器可以通过在新目标坐标空间中以所期望的均匀间距计算新的样本从而用来对数据进行重采样。该组合的步骤(设计和实施在原始扫描坐标空间中的滤波器，但应用它们以计算在新的目标坐标空间中均匀间隔开的新样本)允许直接应用要求样本是均匀间隔开的采样定理。根据所述方法，期望的目标样本的位置相对于原始扫描坐标系是不均匀的。因此应用位置量化，逼近所有新期望的目标样本的位置以落在方便和明确的位置，该位置是在 原始扫描坐标系中的原始样本之间的间距的简单并精确的整数部分。例如可以量化新期望的样本位置以便它们在原始样本间距的1/4或1/5的位置被逼近。该位置量化步骤允许直接应用要求输入和输出样本两者被均匀间隔开的采样定理。根据所述方法，可以通过组合沿着原始扫描维度的每个维度的可分离的线性滤波器来设计nD滤波器核，其特征根据采样定理的应用基于原始和期望的目标样本的均匀采样率确定。根据所述方法，所述nD滤波器核可以通过直接卷积、通过将滤波器核放置在每个期望的目标重样本位置的中心并且计算该nD卷积(积的总和)来应用。该位置量化步骤强化了每个nD滤波器系数实际上与在位置量化空间中的确切的样本位置一致。此外，nD滤波器核可以实施为nD多相滤波器。本发明的一个实施方案将数据从3D非笛卡尔扫描几何形状重采样到3D直角笛卡尔几何形状。原始样本是ー个点(零维度-0D)，表示在nD空间中的单个位置上的信号。例如使用波束形成过程从沿着由换能器投射的波束的样本中构建原始扫描样本的nD网格。波束是一行ID的样本。波束通常也称为“视线”。一列换能器投射波束的2D帧，其几何形状由换能器的排列和波束形成过程确定。当这些帧通过换能器阵列的移动来(旋转和平移)扫描时，或换能器阵列自身是2D的，当在适合于该维度的単元中测量时，它们沿着均匀间隔开的每个样本(通�？占渚嗬�、角度、或时间)形成自然确定三个具体维度的3D扫描。通过测量在时间间隔上的3D容积可以完成4D扫描(在该示例中时间是第四维度)。每个扫描几何形状可以由η维坐标系表示。例如，其中每个样本的位置可以使用坐标的三个(Α、B、C)规定的3D坐标系。4D直角笛卡尔坐标系由(x、y、z、t)表示。一些扫描器几何形状涉及环形设置在扫描过程中换能器阵列的旋转运动，或换能器阵列的环形一些两者都有
一些几何形状由极坐标最佳表示。例如，围绕与其自身线平行的轴旋转的换能器的线性阵列可以确定以圆柱形极坐标最佳表示的圆柱形样本空间(r、θ、z)，其中z是换能器位置，Θ是旋转角度，并且r是沿着波束向外的距离。样本在1D、2D、3D或4D空间中的位置通过由一、ニ、三、或四个坐标固定的扫描几何形状自然地确定。样本位置(沿着波束)是沿着波束的视线(LOS)的距离；(样本沿着波束的视线的原始位置(即样本到波束的原点的距离(在波束中的样本位置)))。波束位置(沿着传感器阵列)是相比较于參考中心波束而沿着换能器线的距离，或 波束的角度。帧位置(沿着扫描方向)是相比较于參考中心帧沿着扫描线的距离或扫描(ー个帧)的角度。时间是波束、帧或容积的获取时间。当分别应用到1D、2D或3D的空间样本扫描中时，时间可以是第二、第三或第四维度。样本位置通常是线性距离，而波束位置(有时称为“视线”位置)和帧位置可以是取决于扫描几何形状线性距离或角度。在2D空间扫描中任何单独的样本的位置由以下坐标确定(样本位置、波束位置)。在3D空间扫描中任何単独的样本位置由以下三个坐标确定(样本位置、波束位置、帧位置)。在4D空间/时间扫描中任何单独的位置由四个坐标确定(样本位置、波束位置、帧位置、时间)。在针对2D空间扫描的本发明的一个实施方案中，所述样本原始坐标如先前所述由两个坐标确定(样本位置、波束位置)，并且所述至少ー个nD线性滤波器是2D线性滤波器核。在该实施方案中，新的重采样的值的位置可以由其2D直角笛卡尔坐标(重采样X、重采样Y)给出。在本发明的另ー个实施方案中，所述样本原始坐标由三个坐标(样本位置、波束位置、帧位置)确定，其中样本位置是样本沿着波束的视线的原始位置(样本到波束的原点的距离(在波束内的样本位置)，波束位置是ー个波束相比较于參考中心波束的原始距离或角度，帧位置是ー个帧相比较于參考中心帧的距离或角度，并且所述至少ー个线性滤波器是3D线性滤波器核。该实施方案包括以基于3D滤波器核容积的滤波的超声波扫描数据的重采样，其形状由每个原始扫描坐标的延伸在原始扫描几何形状中自然地确定，并且其轴与原始扫描维度自然地对准。新的重采样的值的位置可以由其3D直角笛卡尔坐标(重采样X、重采样Y、重采样Z)给出。在该重采样几何形状中，新的重采样均匀间隔开，但原始扫描样本不均匀间隔开。新的重采样的值的位置也可以由其在原始扫描几何形状中的3D坐标(重采样样本位置、重采样波束位置、重采样帧位置)给出。
新的重采样不必与任何原始扫描样本的位置精确一致，但是原始样本沿着原始扫描维度的每个维度均匀间隔开。根据采样定理，重采样可以通过沿着原始扫描维度的每个维度进行滤波和重采样来计算。这等价于以3D滤波器核进行滤波，其沿着每个扫描维度的形状由该维度的要求单独确定。(即，这些滤波器在每个原始扫描维度中是可分离的)。在一个实施方案中，3D滤波器核通过组合三个可分离的重采样滤波器来构建，每个重采样滤波器特别设计针对ー个原始扫描维度，考虑了沿着每个扫描维度的测量的具体的物理特征。优选地，所述3D滤波器核通过组合三个可分离的重采样滤波器来构建，同样考虑了采样定理的要求。因为滤波器核轴与原始扫描维度对准，并且这些扫描维度是正交的，该方法成功地使得2D或3D滤波器设计可分离成两个或三个ID滤波器设计，每个设计针对每个维度，这极大地简化了滤波器设计。
{0>The method correctly applies specific filtering in the specialdirections imposed by the original scan geometry, to maximally retain completedetermination of the underlying continuous ultrasound signal that wasrepresented by the original samples, according to the requirements of SamplingTheory. <}0{> 根据采样定理的要求，该方法正确地将具体的滤波应用在由原始扫描几何形状限制的具体方向上，以最大化保持由原始样本表示的潜在的连续超声波信号的完全确定。0}在每个维度中的重采样要求一个滤波器，该滤波器的系数设计有通过在新的重采样和沿着该维度的最近的原始样本之间的距离决定的滤波器采样率。许多滤波器采样率可以导致在一个实施方案中，本发明的方法通过量化重采样的可能位置(如在原始扫描维度中规定的)到沿着该维度的原始扫描采样率的(较小)的倍数来限制该数目。该倍数称为滤波器率乘数并且可以是可变參数。在又另ー个实施方案中，样本原始坐标由四个坐标确定(样本位置、波束位置、帧位置、时间)，其中样本位置是样本沿着波束的视线的原始位置(样本到波束的原点的距离(在波束中的样本位置)，波束位置是ー个波束相比较于參考中心波束的原始距离或角度，帧位置是ー个帧相比较于參考中心帧的距离或角度，并且所述至少ー个线性滤波器是4D线性滤波器核。在一个实施方案中，重采样的方法基于来自邻近的原始扫描样本的值应用3D滤波器核。滤波器形状是基于以下考虑来设计的沿着三个扫描维度的每个维度的采样定理(抗混叠);物理现象(表示对实际分辨率的基本限制的超声波长)；以及标准化(DC信号值在滤波之后应该是相同的)。在一个实施方案中，所述至少一个线性滤波器是抗混叠滤波器。在一个优选的实施方案中，所述至少一个线性滤波器是低通数字FIR滤波器。在一个实施方案中，该低通滤波器是通过如下參数规定阻带、通带、及阻带衰減。优选地，低通滤波器通过如下參数规定采样率、阻带、通带、通带波纹及阻带衰減。在ー个实施方案中，通带必须低于基于在每个维度中的输入和输出样本由采样定理所要求的。阻带衰减是不允许的频率实际上被拒绝的程度(如由采样定理所要求对潜在信号完全确定)。在优选的实施方案中，在本方法中使用的低通滤波器是通过五个參数规定
采样率用于实施的采样率通带达到该值的频率“不变化”通带波纹允许在通带中最大的改变的量阻带在其分量衰减之上的频率阻带衰减在阻带之上的最小衰减。本发明具有的优点是通过提供一个便于处理并且减少了有待处理的数据量而没有过多的真实信息丢失的3D笛卡尔样本空间，简化了 3D超声波扫描数据的显示、从中特征的提取及分析。
本发明还提供了一种用于组织特征化的方法，包括以下步骤获得从波束形成系统中获取的采样的超声波扫描数据，该采样数据由原始坐标确定，将该采样数据沿着样本原始坐标中的每个坐标应用到至少ー个滤波器；及使用一个或多个特征化算法处理该重采样数据以便特征化所述组织成为例如正常或不正常的组织。根据本发明的一个实施方案，使用特征化算法的处理在表示之前应用到重采样数据并且应用3D重构算法。重采样数据可以通过组织特征化处理器来分析。优选地，重采样数据可以由被配置为确定被怀疑具有有害行为的位置的处理器来分析。在该应用之后，提取对应于潜在的组织的形态的具体数学特征。特征化算法可以基于计算特征如平均信息量、FFT參数、小波參数、关联测量，并且可调谐以便量化所分析的组织被分类为有害或无害的组织的概率。在一个实施方案中，特征化算法从包括傅里叶分析、小波分析及平均信息量分析的组中选择。该特征化算法被设计为检测不同的组织病理学。识别了与像健康的组织的预定条件相关的特征化特征以及与像有害组织预定条件相关的那些特征化特征。“设计”的意思是最佳分离两个病理学现象的那些特征的识别和选择。用于识别感兴趣的区域的合适的特征化算法对由有待检测的疾病的典型组织形态中的变化导致的后向散射的能量中的变化足够敏感。合适的特征化算法如在美国专利6，785，570和PCT申请WO 2004/000125中描述，其主题通过引用结合在此。用于特征化的合适的程序是安装在HistoscanningTM装置中的特征化软件(高级医疗诊断(AdvancedMedical Diagnostics),滑铁卢，比利时)。本发明还提供包括了一种对超声波扫描数据进行重采样的设备，该设备包括3D滤波器核设计�？�、3D重采样和滤波器核实现�？榧�3D重采样�？�。所述设备可以是被配置为设计3D滤波器核以实施3D重采样和滤波的一个或多个处理器。所述处理器可以提供在一个计算机或在两个或多个计算机中。本发明还提供了ー种超声波处理系统，包括(a)用于获取反射或发射的超声波扫描数据的至少ー个装置；(b)至少ー个采样模块，及(c)包括3D重采样�？榈闹辽侃`个处理器，所述处理器被配置为设计3D滤波器核、以及实施3D重采样和滤波器核。在一个实施方案中，所述采样�？榘ㄔ谒鲋辽僖桓龃砥髦�。本发明还提供了ー种包括用于超声波扫描数据的重采样的计算机可执行代码的计算可读媒介，其特征在于执行以下功能a)获得从波束形成系统中获取的采样数据，该采样数据由原始坐标确定，及
b)将采样数据沿着样本原始坐标应用到至少ー个线性滤波器。本发明还提供了ー种用于组织特征化的系统，包括(a)用于获取反射或发射的超声波扫描数据的至少ー个装置；(b)至少ー个采样�？椋�(c)包括3D重采样�？榈闹辽僖桓龃砥鳎龃砥鞅慌渲梦杓�3D滤波器核，实施3D重采样和滤波器核，并且适用于被配置为将所述组织特征化成正常或不正常组织的一个或多个特征化算法处理该重采样数据。本方法、系统及设备具有以下优点通过进行在原始扫描几何形状中的设计和实施，简化了用于3D超声波扫描的3D重采样滤波器的分析、设计及实施，其中该扫描维度及因此的坐标轴是正交的，并且这些样本均匀间隔开(以便可以容易地应用采样定理)。
本发明允许根据采样定理的重采样滤波器的严格设计，因为这些扫描维度及因此的坐标轴是正交的，并且这些样本均匀间隔开。本方法及设备減少了有待处理的数据量而没有真实信息的过多丢失，因为其遵守采样定理的要求，因为每个原始扫描维度特别地和正确地应用来自超声波扫描过程的物理特征的先验知识以选择适合于表示包括在扫描数据中的原始真实的信息的最小数据。在一个实施方案中，数据量減少了因数5。本发明允许采样数据被进ー步处理并且分析而没有信息的失真或丢失，因为潜在信号保持完全确定。在如依赖潜在信号的精确确定的处理或分析上的效果的组织特征化测量的情况中，这是有利的。相比较，在先技术中潜在信号不能保持由样本完全确定，因为滤波器不能容易地通过直接应用采样定理来设计。此外，在先技术方法在期望的目标坐标系中设计重采样滤波器，其中这些原始样本不均匀间隔开，并且因此使用采样定理的滤波器设计(这假设均匀的样本间距)是不可能的因此这些滤波器导致信息的失真或丢失。例如，本方法可以为最小数据尺寸保持最大信息，并且因此允许存储要求和计算量保持到最小。这是因为对于完全确定潜在信号而言所必需的最少样本数目以及必要的滤波器设计可以通过采样定理的应用和滤波器长度估计(例如凯泽方法)来直接计算。相比较于本发明，在先技术不能直接应用采样定理以计算完全确定潜在信号所必需的最少样本数目，以便会使用比必要的更多的样本，或信号会失真或信息会丢失。以此方式，本发明允许所要求的最小数据尺寸的正式分析，这可以既减少存储要求也减少扫描时间。例如，本发明促进对来自各种原始η维扫描几何形状和样本空间的超声波扫描数据进行重采样到均匀的η维样本网格(通常但不仅直角笛卡尔)，该样本网格便于进ー步处理并且在根据采样定理的測量保留原始信息和超声波扫描过程的物理特征的同时减少数据量。本发明通过提供便于处理并且減少了有待处理的数据量而没有过多的真实信息的丢失的η维样本空间，极大地简化了 η维超声波扫描数据的显示、从中特征的提取及分析。本发明将通过如下示例描述，这不会以任何方式限制本发明的范围。示例根据本发明的实施方案的滤波和重采样是基于在所有方向上应用的相同的滤波器。其益处在于重采样独立于扫描几何形状，并且其考虑了在原始数据中出现的所有采样率。其定义了一种球滤波器核(该核是滤波器系数阵列，在该例子中3D阵列)。
本示例是基于前列腺超声波扫描。本示例将重采样的位置投射到原始几何形状中，然后设计并应用该滤波器在该原始几何形状中。每个原始样本在前列腺扫描中的位置可以由在球极坐标空间中的三个坐标(样本位置、波束位置、帧位置)给出其中样本位置是到波束的(想象的)原点的视线距离(mm) 波束位置是波束相对于“中心”波束的角度(以弧度为单位)帧位置是帧相对于“中心”帧的角度(以弧度为单位)。新的重采样的值的位置由其3D直角笛卡尔坐标(X、y、z)给出，但也在球极坐标(r> Θ、Φ )中确定。在该球极坐标几何形状中原始样本沿着每个维度均匀间隔开。该重采样落在从波束原点辐射出的虚拟视线上。该波束的角度由(Θ、Φ)确定，并且Θ或Φ都不必分别匹配任何原始的波束位置或帧位置。重采样的径向距离由r确定，并且r不必匹配任何原始样本位置。设计了ー种3D滤波器核，其维度由三个滤波器设置沿着视线的滤波器、沿着波束间距的滤波器及沿着帧间距的滤波器。所要求的滤波和重采样的三个维度自然地确定了ー种“四边形金字塔”几何形状(r、Θ、Φ)并且3D滤波器核是通过该四边形金字塔的一片。金字塔片的高度是视线滤波器的长度并且是固定的。两个其他的维度由内部帧和内部波束滤波器固定在这两个维度中，间距是角度。重采样过程可以视为应用四边形金字塔滤波器，该滤波器施加权重到周围的原始样本以计算在金字塔中心上的新的重采样。但是其还可以被认为沿着原始扫描维度的每个维度的重采样在该情况中，我们具有三个单独的I-D滤波器，其中每个滤波器针对每个重采样。三个I-D滤波器然后可以组合以创建必要3D四边形金字塔滤波器。当计算新样本时，可以看到两个例子升采样(其中应该插值比原始测量的更多的样本)和降采样(应该丢弃原始样本中的ー些)。在两个例子中，信号应该以低通滤波器滤波。在本发明中使用的低通滤波器消除了不可能出现的频率分量。为了降采样，原始样本以低通滤波器滤波，然后丢弃原始样本中的ー些。用于降采样的低通滤波器消除了高于新采样率的一半的频率。这是指截止频率会在达到原始采样率的一半时改变。针对升采样，零可以插值在新的(更高的采样率)的样本位置，然后以低通滤波器滤波。用于升采样的低通滤波器消除了高于原始样本率的一半的频率。不管新的升采样率该截止频率是固定的。对于前列腺扫描，用于滤波器的三个方向应用沿着视线(其以mm为单位的距离)和跨视线的两个方向(在该示例中其以弧度为单位的角度)。在本示例中使用的低通数字FIR滤波器可以通过五个參数规定采样率用于实施的采样率通带达到该值的频率“不变化”通带波纹允许在通带中最大的改变的量
阻带在其分量衰减之上的频率阻带衰减在阻带之上的最小衰减。最低原始和新的重采样的采样率在现在滤波器设计上设定边界，按照如下最低原始采样率最低要求的截止频率重采样率最高要求的截止频率视线滤波器视线滤波器由视线样本间距和重采样间距确定。对于前列腺扫描而言，视线样本间距是固定的，在O. 044其是22. 7样本/mm的采样率，重采样间距是O. 200mm，其是5循环/mm的采样率，因此是降采样了 4. 54。
在该情况中样本间距和重采样间距两者是固定的，并且重采样率比较低，因此其固定要求的截止频率。视线截止频率=2. 50循环/mm视线滤波器采样率=22. 7样本/mm通带宽度是I样本/_，形成2循环/mm的通帯。采用具有先前推荐的參数的截止通带2阻带2.5通带波纹6dB阻带衰减=20dB采样率=22. 7样本/mm使用滤波器设计工具(fdatool)设计等波纹滤波器，提供需要8系数的滤波器。波束间及帧间滤波器波束间滤波器由波束间距和重采样角度间距确定。当升采样及其通带由波束间间距确定时要求该最窄的低通滤波器。该參数是重采样角度采样率=500样本/弧度波束速率=200波束/弧度帧速率=333帧/弧度这些间距是指升采样将发生在这些径向方向(以因数2. 5和1.5)。设定通带是阻带的10%。对于波束间滤波器(即对于在单个帧内的波束)，该滤波器可以规定为通带90样本/弧度阻带100样本/弧度通带波纹6dB
阻带衰减=20dB采样率=500样本/弧度及对于帧间滤波器(B卩，在邻近的帧之间)通带150样本/弧度阻带166样本/弧度通带波纹6dB
阻带衰减=20dB采样率=500样本/弧度
这些提供了分别需要8个和5个系统的滤波器。滤波器核该滤波器核是3D。由滤波器系数通过在每个维度中进行调制可以对其进行计算。例如I.通过使用视线系数填充在视线维度中的所有列2.通过波束滤波器越过在波束方向上中的视线倍増，及3.通过帧滤波器越过在帧维度上中的视线倍増。这创建了滤波器系数的3D矩阵。当计算ー个新的重采样值时这些可以作为权重施加到周围环境样本。当具体參考优选的实施方案描述本发明的细节时，应明白可以进行变化和应用而没有脱离由所属权利要求确定的本发明概念的精神和范围。
权利要求
1.一种对超声波扫描数据进行重采样的方法，包括以下步骤 a)获得从波束形成系统中获取的采样超声波扫描数据，该采样数据由具有η个轴的原始η维采样坐标系确定，这由超声波比探针和扫描几何形状确定，并且其中当在适合于每个轴的単元中测量时这些样本沿着该轴均匀间隔开； b)在目标η维坐标系中确定期望的目标样本位置，当在适合于每个轴的単元中测量时这些位置沿着该轴均匀间隔开； c)将在步骤(b)中确定的目标样本位置映射到步骤(a)的所述原始η维采样坐标系； d)量化步骤(C)的映射目标样本的位置以便它们落在原始样本位置之间的简单精确的整数子间距上； e)根据奈奎斯特-香农采样定理的应用设计一系列η维线性滤波器核，每个核针对相对于其最近邻居的原始样本位置的每个不同的目标样本位置，并且使用在它们各自的η维空间中的步骤(a)的采样数据的原始样本坐标和步骤(d)的期望的目标样本位置，可选地所述η维滤波器沿着原始扫描维度中的每个维度是可分离的；及 f)将在步骤(e)中设计的η维线性滤波器核应用到步骤(a)的采样数据，每个滤波器应用到计算目标样本，从而获得重采样数据。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，所述η维滤波器沿着原始扫描维度中的每个维度是可分离的。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其中，所述步骤(f)可以通过直接卷积来执行。
4.根据权利要求I至3中任意一项所述的方法，其中，所述步骤(f)使用多相实现来执行。
5.根据权利要求I至3中任意一项所述的方法，其中，样本原始坐标由两个坐标(样本位置，波束位置)确定，其中样本位置是样本沿着波束的视线的原始位置，波束位置是波束相比较于參考中心波束的原始距离或角度，并且所述至少ー个η维线性滤波器是2D滤波器核。
6.根据权利要求I至3中任意一项所述的方法，其中，所述样本原始坐标由三个坐标确定(样本位置，波束位置，帧位置)，其中样本位置是样本沿着波束的视线的原始位置，波束位置是波束相比较于參考中心波束的原始距离或角度，帧位置是帧相比较于參考中心帧的距离或角度，并且所述至少ー个η维线性滤波器是3D线性滤波器核。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，该3D滤波器核通过组合三个可分离的重采样滤波器来构造的，其中每个滤波器特别针对ー个原始扫描维度而设计，考虑了沿着每个扫描维度的测量的物理特征。
8.根据权利要求I至3中任意一项所述的方法，其中，这些样本原始坐标由四个坐标确定(样本位置，波束位置，帧位置，时间)，其中样本位置是样本沿着波束的视线的原始位置，波束位置是波束相比较于參考中心波束的原始距离或角度，帧位置是帧相比较于參考中心帧的距离或角度，并且所述至少ー个线性滤波器是4D线性滤波器核。
9.根据权利要求I至8中任意一项所述的方法，其中，所述至少一个线性滤波器是抗混叠滤波器。
10.根据权利要求I至9中任意一项所述的方法，其中，所述至少ー个线性滤波器是低通数字FIR滤波器。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述低通滤波器是通过如下參数来规定的阻带、通带及阻带衰减。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述低通滤波器是通过如下參数来规定的采样率和通带波紋。
13.—种对超声波扫描数据进行重采样的设备，包括3D滤波器核设计�？�、3D重采样和滤波器核实现�？橐约�3D重采样�？�。
14.一种超声波处理系统,包括 (a)至少ー种用于获取散射、反射或发射的超声波扫描数据的装置； (b)至少ー个米样�？椋� (c)至少ー个包括3D重采样�？榈拇砥鳎龃砥鞅慌渲梦� 设计3D滤波器核，及 实施3D重采样和滤波核。
全文摘要
本发明涉及用于为重采样的抗混叠或重构的超声波扫描数据的多维滤波。特别地，本发明提供了一种对超声波扫描数据进行重采样的方法，包括以下步骤a)获得从波束形成系统中获取的采样超声波扫描数据，该采样数据由具有n个轴的原始n维采样坐标系确定，这由超声波比探针和扫描几何形状确定，其中当在适合于每个轴的单元中测量时该采样沿着该轴均匀间隔开；b)在目标n维坐标系中确定期望的目标样本位置，当在适合于每个轴的单元中测量时这些位置沿着该轴均匀间隔开；c)将在步骤(b)中确定的目标样本位置映射到步骤(a)的所述原始n维采样坐标系；d)量化步骤(c)的映射目标样本的位置以便它们落在原始样本位置之间的简单精确的整数子间距上；e)根据奈奎斯特-香农采样定理的应用设计一系列n维线性滤波器核，其中每个滤波器核针对相对于其最近邻居的原始样本位置的每个不同的目标样本位置，并且使用在它们各自的n维空间中的步骤(a)的采样数据的原始样本坐标和步骤(d)的期望的目标样本位置，所述n维滤波器沿着原始扫描维度中的每个维度是可分离的；以及f)将在步骤(e)中设计的n维线性滤波器核中应用到步骤(a)的采样数据，每个滤波器应用到计算目标样本，从而获得重采样数据。
文档编号G01S7/531GK102695964SQ201080060249
公开日2012年9月26日 申请日期2010年11月16日 优先权日2009年11月16日
发明者克里斯·波尔, 德罗尔·尼尔, 里娜·尼尔, 马雷克·苏利加 申请人:先进医疗诊断控股公司
专业数控铣床产品供应商
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