专利名称：使用超声波的图像形成方法和像差校正方法
技术领域：
本发明涉及一种使用超声波形成标本(specimen)的截面图像或三维图像的 图像形成方法。本发明还涉及一种校正在标本中产生的声光像差(acousto-optical aberrations)的超声波像差校正方法。
背景技术：
传统的典型的使用超声波形成截面图像的设备(或图像形成设备)具有发送 器部分，其将超声波发送到标本(比如，将被检查的物体，例如活体)；接收器部分，其接 收反射的超声波；扫描装置，其用于改变发送和接收的超声波的方向以用于扫描；和用 于将接收的反射信号转换为亮度信号以将它们可视化的装置。使用通过具有上述构造 (configuration)的图像形成设备获得的时间系列截面图像来观察标本的内部。在一种类 型的这样的设备中，通过前述扫描装置使超声波方向以扫描方式垂直和水平移动，以形成 三维图像。如专利文献1所述，当超声波信号(有时将被简单称为超声波)被发送或发射到 例如活体的检查对象中时，超声波信号在该对象中传播，并被存在于该对象内部中的反射 体(reflecting element)反射。然后，反射信号再次在检查对象中传播，并被超声波探测 器接收。在这个处理中，由于用作传播介质的检查对象的组织一般是不均勻的，所以当超声 波到达超声波探测器时，在这些超声波之间存在相位差。从而，发生从接收的超声波形成的 图像失真的现象(称为相位抵消效应)。相位抵消效应使得超声波探测器的从其发送超声 波信号/在其上接收超声波信号的面(有时也称为开口或开口面)上的反射波的延迟的分 布偏离理论值。由于这个原因，分辨率的显著改进不能通过简单地增大开口(开口面)来 实现，并且图像质量的改进难以实现。解决这个问题的一种方法是相位共轭发送和接收。在相位共轭发送和接收中，典 型地执行相位整形相加处理(有时也称为波束形成)，以使得基于在其上接收入射波的开 口面上的相位分布而将方向性自动地调整为入射波到来的方向。作为解决上述问题的措 施，相位共轭发送和接收的该特性被用于即使在由于传播过程中的声速分布而导致入射波 接收面上的相位分布失真的情况下也相对于目标波源(有时也称为回波源)正确地实现像 差校正。具体地讲，从通过波接收阵列(有时也称为接收探测器)接收的波信号之中选择 两个接收的波信号，并确定这些信号之间的通道间相位差。其后，获得通道间相位差中所包 含的非理想分量，以确定相位差校正值。然后，使用如此确定的相位校正值来校正接收的波 信号的相位。在以上处理中所选择的两个接收的波信号为来自构成波接收阵列的超声波元 件之中的每对相邻元件的两个信号，或者作为备选的方案，为来自所有元件的信号的平均 值和来自各个元件的信号。如专利文献2中所述，在计算相位校正值时，使用互相关计算。 这里，前述“元件”表示由用于发送和接收超声波的一个或多个超声波变换器(transducer) 构成的基本单体单元。专利文献3中所公开的另一种像差校正方法包括从阵列探测器发送第一波前(wave front)的步骤，以及，基于所获得的波前确定像差校正值的步骤。该方法还包括从阵 列探测器发送反映像差校正值的第二波前的步骤和从所获得的第二波前形成图像的步骤。 为了提高相位的精度，第一波前可作为窄波束被发送，并且为了提高扫描速度，第二波前可 作为宽波束被发送。非专利文献1公开了一种通过重复执行专利文献1中所公开的方法来提高校正精 度的尝试。根据专利文献4和5中所公开的方法，在使用基本频率和谐波频率中的一个执 行成像的同时，使用基本频率和谐波频率中的另一个执行像差校正。引用列表专利文献专利文献1日本专利申请公开No.5-23710专利文献2日本专利申请公开No.7-799专利文献3日本专利申请公开No.2006-14202专利文献4美国专利No.602397专利文献5美国专利No. 6223599非专利文献非专利文献 1 "Estimation of ultrasound wave aberrationwith signals from random scatterers，，，J. Acoust. Soc. Am. 115 (6), 200
发明内容
技术问题在传统方法中，像在来自点目标的反射的情况中，可校正来自其反射强度高于某 一水平的目标物体(也称为测量目标物体)的信号(或反射波)。然而，传统方法具有如下 缺点像在来自小散射体的反射的情况下，难以校正来自其反射强度弱或低于某一水平的 目标物体的信号(或反射波)，这是由于所述信号之间的相关程度低。因此，在专利文献1 中所公开的传统像差校正方法中，还需要对从存在于目标物体附近的介质产生的微弱的且 不均勻的反射波(或回波)的散斑(speckle)分量执行相位差测量，所述目标物体产生包 括对其进行像差校正的声线(sound ray)的信号(反射波)。然而，散斑分量(或来自小散 射体的信号)为不稳定分量，仅可通过所述不稳定分量的统计特性讨论所述不稳定分量， 并且，与对点目标的相位测量不同，散斑分量的测量要求在回波的某区间长度上的积分。此 外，由于超声波探测器中干扰将被测量的信号(也称为主瓣(lobe))的相位测量的外围信 号(也称为旁瓣)的存在，在一些情况下接收到来自除了目标物体之外、但与该物体位于相 同圆形上的反射点的回波。这样的回波接收引起像差校正的误差。在专利文献1中所公开的方法中，可通过仅收集来自目标的包含多普勒分量的回 波上的数据，将前述归因于旁瓣的像差校正误差减小到一定程度。然而，在例如检查对象为 活体等的情况下，该方法仅可应用于血流部分和其它移动部分，其应用范围大大受限。在非专利文献1中，通过重复来改进同一方法，以意图提高校正精度。然而，已报 导了这种方法在处理相关程度低的数据时具有问题。另一方面，在如专利文献3所述的将窄波束(S卩，一束声线)用作第一波前的情况 下，通常使用高频范围。在将宽波束用作第二波前的情况下，通常使用低频范围，或者作为备选的方案，通过延迟或开口控制等控制波束直径，而不改变频率。在这种情况下，尽管使 用高频范围来提供窄波束导致相位敏感性增加，但是引起这样的问题，即，发生大于一个周 期的相位变化，并且不能实现波前的对准(这个问题有时称为混叠(aliasing))。另一方 面，如果低频用于防止混叠，则产生不能实现足够的分辨率的另一问题。专利文献4和5中所述的方法依赖于这样的假设，即，可在基本频率或谐波频率处 实现像差校正。然而，这些文献没有公开对于像差幅度大得以至于难以校正像差的情况的 解决方案。根据本发明的发明人的发现，仅通过使用具有两个不同频率的超声波，不能必定 获得高精度的像差校正值，而是在所使用的一些频率对中，校正效果小或者有时相当不利。通常使用具有表示方向或位置的水平轴和表示信号强度的垂直轴的曲线图对超 声波方向性进行评估。然而，难以对具有高方向性和高旁瓣的波束和具有相对低方向性和 低旁瓣的波束进行量化评估。虽然对于执行专利文献4和5中所公开的像差校正的情况也 是如此，但是这些专利文献4和5没有公开任何关于像差和频率的评估的内容。本发明鉴于上述问题而提出，目的是提供一种即使在像差量大并且难以校正的情 况下也计算精确的像差校正值的方法、以及使用这样的像差校正值实现高分辨率的超声波 成像的方法。问题的解决方案为了实现以上目的，发明人进行了努力的研究来实现本发明。本发明基于以下发 现而提出，即，在发送和接收时使用低频有利于通过由接收元件接收的信号之间的相关和 改进像差校正的精度，并且以高频发送和接收就分辨率而言好于以低频发送和接收。此外， 本发明还基于以下发现而提出，即，像差校正量的频率依赖性低，并且存在像差校正中所使 用的最佳高频和低频。本发明基于以上发现而提出，并根据其本质提供一种当超声波被发送到物体时使 用从该物体反射的信号来形成图像的图像形成方法，该方法包括第一步骤，当第一超声波被发送到物体时接收从该物体反射的第一信号；第二步骤，基于如此接收的第一信号获得像差校正值；第三步骤，当基于像差校正值校正的第二超声波被发送到所述物体时接收从该物 体反射的第二信号；和第四步骤，从像差校正值和第二信号形成图像，其中第二超声波的中心频率不低于0. 5MHz且不高于20MHz，第一超声波的中心频率不低于第二超声波的中心频率的3/16且不高于第二超声 波的中心频率的9/20。根据本发明，还提供一种当超声波被发送到物体时使用从该物体反射的信号来形 成图像的图像形成方法，该方法包括第一步骤，当至少包含具有不同中心频率的第一超声波和第二超声波的超声波被 发送到物体时接收从该物体反射的信号；第二步骤，将接收的信号分离成第一信号和第二信号，第一信号表示第一超声波 的反射波，第二信号表示第二超声波的反射波；第三步骤，基于如此分离的第一信号获得像差校正值；和第四步骤，从像差校正值和第二信号形成图像，其中
第二超声波的中心频率不低于0. 5MHz且不高于20MHz，第一超声波的中心频率不低于第二超声波的中心频率的3/16且不高于第二超声 波的中心频率的9/20。根据本发明，进一步提供一种当具有不同频率的两个或更多个超声波被发送到物 体时使用从该物体反射的信号来校正像差的像差校正方法，该方法包括第一步骤，当第一超声波被发送到物体时接收从该物体反射的第一信号；和第二步骤，基于如此接收的第一信号获得像差校正值，其中第二超声波的中心频率不低于0. 5MHz且不高于20MHz，第一超声波的中心频率不低于第二超声波的中心频率的3/16且不高于第二超声 波的中心频率的9/20。根据本发明，还进一步提供一种用于在具有不同频率的两个或更多个超声波被发 送到物体时使用从该物体反射的信号来校正像差的像差校正方法，该方法包括第一步骤，当至少包含具有不同中心频率的第一超声波和第二超声波的超声波被 发送到物体时接收从该物体反射的信号；第二步骤，将接收的信号分离成第一信号和第二信号，第一信号为第一超声波的 反射波，以及第二信号为第二超声波的反射波；和第三步骤，基于如此接收的第一信号获得像差校正值，其中第二超声波的中心频率不低于0. 5MHz且不高于20MHz，第一超声波的中心频率不低于第二超声波的中心频率的3/16且不高于第二超声 波的中心频率的9/20。本发明的有益效果根据如上所述的本发明，即使在像差大且难以校正的情况下，也可通过选择像差 校正处理中所使用的最佳频率和获得精确的像差校正值来实现高分辨率的超声波成像。
图1是示出根据本发明的频率和等价半值宽度的曲线图。图2示出根据本发明的像差校正中所使用的发送频率和波束图案。图3示出根据本发明的像差校正中所使用的发送频率和评估函数。图4示出根据本发明的像差校正中所使用的发送频率和评估函数。图5是用于示出第一实施例的超声波设备的框图。图6是用于示出第一实施例的像差校正和成像的处理的流程图。图7是示出用于示出第一实施例的仿真模型的示图。图8显示用于示出第一实施例的波束图案。图9是用于示出第二实施例的超声波设备的框图。图10是用于示出第三实施例的像差校正和成像的处理的流程图。
具体实施例方式在本发明中，将像差校正处理中所使用的超声波定义为第一超声波，将频率成像 处理中所使用的超声波定义为第二超声波。
在本发明中，图像形成不是必不可少的。仅通过根据本发明的像差校正方法获得 的像差校正数据可被用作分析数据等。在本发明中，考虑以下事实，即，为了实现良好的像差校正，必须选择像差校正处 理中所使用的合适频率和成像处理中所使用的合适频率，并且对波束特性进行评估。在传 统的像差校正方法中，没有用于确定是否有效地实现了像差校正的标准。本发明的发明人 通过研究发现了以上事实。具体地讲，优选地，可使用以下定义的评估函数对波束特性进行评估。E = Σ (I (χ) -PT) i (χ) j (χ) Δ χ/ Σ (I (χ) _ΡΤ) i (χ) Δ χ ... (1)
权利要求
1.一种图像形成方法，用于当超声波被发送到物体时使用从该物体反射的信号来形成 图像，包括第一步骤，当第一超声波被发送到所述物体时，接收从所述物体反射的第一信号； 第二步骤，基于如此接收的第一信号获得像差校正值；第三步骤，当基于像差校正值校正的第二超声波被发送到所述物体时，接收从所述物 体反射的第二信号；和第四步骤，从像差校正值和第二信号形成图像，其中， 第二超声波的中心频率不低于0. 5MHz且不高于20MHz，第一超声波的中心频率不低于第二超声波的中心频率的3/16且不高于第二超声波的 中心频率的9/20。
2.根据权利要求1所述的图像形成方法，其中，在第四步骤中所使用的像差校正值为 通过使用第二信号进一步校正在第二步骤中获得的像差校正值而获得的像差校正值。
3.根据权利要求1或2所述的图像形成方法，在第三步骤之前，还包括通过重复执行 第一步骤和第二步骤多次来获得像差校正值的步骤，并使用在最近的第二步骤中获得的像 差校正值对在重复执行步骤中的第二次重复和随后次重复中所使用的第一超声波进行校 正。
4.根据权利要求3所述的图像形成方法，其中，当重复执行第一步骤和第二步骤多次 时，第一超声波的中心频率从一个步骤到另一个步骤变化，并且第二超声波的中心频率高 于最后次重复中所使用的第一超声波的中心频率。
5.根据权利要求4所述的图像形成方法，其中，当重复执行第一步骤和第二步骤多次 时，对每次重复增大第一超声波的中心频率。
6.根据权利要求1至5中的任何一个所述的图像形成方法，其中，第一超声波的中心频 率的确定方式是使得关于通过使用像差值所校正的第二超声波所形成的波束图案的根据 以下公式(1)定义的值落入预先确定的范围内，
7.根据权利要求6所述的图像形成方法，其中，公式(1)中的加权函数满足根据以下公 式⑵定义的条件
8.根据权利要求7所述的图像形成方法，其中，公式O)中的参数a、b、c满足以下条 件中的至少一个a = 2、b > 0和c = 0。
9.一种图像形成方法，用于当超声波被发送到物体时使用从该物体反射的信号来形成 图像，包括第一步骤，当至少包含具有不同中心频率的第一超声波和第二超声波的超声波被发送 到所述物体时，接收从所述物体反射的信号；第二步骤，将接收的信号分离成第一信号和第二信号，第一信号表示第一超声波的反 射波，以及第二信号表示第二超声波的反射波；第三步骤，基于如此分离的第一信号获得像差校正值；和 第四步骤，从像差校正值和第二信号形成图像，其中， 第二超声波的中心频率不低于0. 5MHz且不高于20MHz，第一超声波的中心频率不低于第二超声波的中心频率的3/16且不高于第二超声波的 中心频率的9/20。
10.根据权利要求9所述的图像形成方法，其中，第二步骤为使用使第一信号通过的第 一滤波器和使第二信号通过的第二滤波器来分离接收的信号的步骤，并且，第一滤波器的 通带的设置方式是使得关于使用像差值校正的第二超声波的波束图案的根据以下公式(1) 定义的值落入预先确定的范围内，
11.根据权利要求10所述的图像形成方法，其中，在第一步骤中使用包含具有不同中心频率的三个或更多个超声波的超声波， 在第二步骤中，使用具有分别与三个或更多个超声波的频率相应的通带的多个滤波器 将来自所述物体的反射波分离成三个或更多个信号，使用在第三步骤中分离的三个或更多个信号之中的多个信号作为第一信号，以及 在第四步骤中，使用在第三步骤中分离的三个或更多个信号之中具有最高频率的信号 作为第二信号。
12.—种当具有不同频率的两个或更多个超声波被发送到物体时使用从该物体反射的 信号来校正像差的像差校正方法，包括第一步骤，当第一超声波被发送到所述物体时，接收从所述物体反射的第一信号；和 第二步骤，基于如此接收的第一信号获得像差校正值，其中， 第二超声波的中心频率不低于0. 5MHz且不高于20MHz，并且，第一超声波的中心频率不低于第二超声波的中心频率的3/16且不高于第二超 声波的中心频率的9/20。
13.一种当具有不同频率的两个或更多个超声波被发送到物体时使用从该物体反射的 信号来校正像差的像差校正方法，包括第一步骤，当至少包含具有不同中心频率的第一超声波和第二超声波的超声波被发送到所述物体时，接收从所述物体反射的信号；第二步骤，将接收的信号分离成第一信号和第二信号，第一信号为第一超声波的反射 波，以及，第二信号为第二超声波的反射波；和第三步骤，基于如此接收的第一信号获得像差校正值，其中， 第二超声波的中心频率不低于0. 5MHz且不高于20MHz，并且，第一超声波的中心频率不低于第二超声波的中心频率的3/16且不高于第二超 声波的中心频率的9/20。
全文摘要
一种超声波图像形成方法包括第一步骤，接收从物体反射的第一信号；第二步骤，基于如此接收的第一信号获得像差校正值；第三步骤，当基于像差校正值校正的第二超声波被发送到所述物体时，接收从该物体反射的第二信号；和第四步骤，从像差校正值和第二信号形成图像。第二超声波的中心频率在0.5MHz和20MHz之间，第一超声波的中心频率在第二超声波的中心频率的3/16和9/20之间。通过这种方法，可获得精确的像差校正值，并且即使像差大且难以校正，也可实现高分辨率的超声波成像。
文档编号G01S7/52GK102057297SQ20098012143
公开日2011年5月11日 申请日期2009年4月3日 优先权日2008年4月14日
发明者佐藤亨, 及川克哉, 染田恭宏, 瀧宏文, 长永兼一, 高井康好, 齐藤惠志 申请人:佳能株式会社, 国立大学法人京都大学
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