技术领域
本发明的系统和方法总体涉及超声系统，尤其涉及在复杂介质中速度和流 动方向的估计以及用于流动速度矢量估计的超声系统。
背景技术
对于各种医疗应用，超声系统已经变成广泛使用的诊断工具。与一些其他 的诊断工具或系统相比，许多超声系统是非侵入性的和非破坏性的。超声系统 总体包括用于接近对象或直接置于对象上和在对象上方移动的声头，例如，对 象为患者。超声系统可提供对象的内部结构的可视化，例如，该内部结构为组 织、血管和/或器官。通过电激励声头内的换能器阵元来生成行进至人体中的超 声信号，以及通过接收从组织、血管和/或器官所反射的回波信号，超声系统运 行。所反射的回波信号然后被处理以产生对象的内部结构的可视化。
超声系统的应用之一是用于测量血流速度。该信息可以用于心血管研究和 其他医学领域。为了呈现血流的不同方面，已经开发了多种方法，例如，B-型 成像和彩色多普勒成像。流动领域的B型成像通常用来定位血管，以测量血管 的尺寸和观察流动结构。B型图像显示亮度，该亮度指示从目标对象反射的超声 信号的强度。除了灰阶显示之外，流动速度可以在彩色多普勒成像中被呈现为B 型图像的叠加，以显示在血管内血细胞速度的测量。在常规的系统中，彩色多 普勒图像对于该系统的质量和效率产生很多限制。
首先，彩色多普勒成像的帧频会是低的。由于对于显示的每个图像扫描线 仅需要一个发射脉冲，故B型图像可以在较高的帧频下完成。对比而言，每个 多普勒图像扫描线需要被询问多次以便估计在沿着该扫描线的各个点处的多普 勒频移。沿着扫描线的每次询问获得回波数据的全扫描线，对于在图像扫描线 上的每个点，在一段时间上获得的样本组被称为一个集合。由于在彩色多普勒 成像中的询问花费时间，人们通常牺牲B型图像质量(例如，较小的线密度、 较小的采样率和/或多波束形成器)，以便获取有用的帧频。
第二，常规的系统和方法会具有差的横向分辨率。例如，在如图1A中所示 出的常规彩色多普勒成像系统100中，常规的方法通常使用声头110上的多个 换能器阵元112，以朝向焦点发射超声脉冲。这样的常规方法被使用，以便获取 所需的信噪比且改善在焦点处的横向分辨率。当焦点具有最高的横向分辨率时， 其余的波束经受差的横向分辨率。
第三，如图1A中所示出的常规系统100也经受预绘制的窗口限制。为了获 得流动速度的具体量化，需要提前在感兴趣的区域内选取小得多的样本体积。 超声波检测师通常需要绘制扫描区域的窗口，仅在该窗口中，彩色多普勒方法 被使用诸如重复发射脉冲，结果仅显示在该窗口中。该预绘制的窗口需求意味 着，位于预定义的窗口的外部的运动反射器可以不被识别直到进行单独的多普 勒成像会话。因此，难以获得彩色多普勒图像的全扫描区域。
第四，使用常规的方法和系统，难以获得绝对速度和方向两者。图1A中所 示出的系统会需要方向转向和多次发射以检测运动反射器的速度。近年来，如 图1B至图1D中所示出的平面波在行业内已经引起关注。与在图1A中所示出 的常规的方法和系统相比，由于平面波没有横向分辨率，故可以同时形成大规 模的接收波束。然而，更大规模而没有预绘制窗口限制会增大帧频，同时失去 横向分辨率。为了获得横向信息，类似于图1A中所示出的常规方法，在速度检 测期间，方向转向会是必要的以执行成角度的发射。
成角度的发射是由于相对于超声波进入方向的方向的血细胞速度的多普勒 效应。与超声波进入方向垂直的流动使用常规方法是不可检测的，该常规方法 包括平面波方法。使用常规方法所获得的速度矢量的振幅分量仅表示流动速度 矢量的沿着发射/接收扫描线轴线的分量。对于横向血管，为了获得速度矢量的 振幅分量，平面波方法将必须改变垂直于成角度的方向的发射超声波方向。
例如，图1B至图1D示出常规的平面波方法和系统，其获得二维(2D)血 流速度的方向和振幅。常规的系统可包括具有多个发射换能器阵元112的声头 110。在一个发射事件150期间，在血管130内的2D速度矢量的振幅分量可以 被检测，这是由于相对于超声波进入方向的方向，在血管130内的血细胞的速 度不是0，即，相对于超声波进入方向的方向，在血管130内的点C132具有非 零的速度。然而，在垂直于超声波进入方向的另一血管120中，在发射事件150 中不能检测到该速度，即，在图1B中，相对于超声波进入方向，在血管120内 的点A122和点B124具有零速度。
为了检测在血管130中的2D血流速度，如图1C中所示出的另一发射事件 180必须被执行，以将垂直于血管130的超声波发射方向变化成成角度的方向。 在图1C中，相对于进入的超声波的成角度的方向，点B124具有非零的速度。 然而，图1C中的平面波会漏掉点A122。为了计算点A122，可能必须执行如 图1D中所示出的另一成角度的平面波发射事件190。然而，在第二成角度的平 面波发射190中，不能检测到点C132的速度。
如图1B至图1D中所示，方向转向和来自不同角度的多轮信号发射的平面 波方法是难处理的且效率低的。在图1B至图1D中的来自三个不同角度的三轮 发射之后，在点A122处的速度可仅在图1D的发射事件190中被检测到一次， 在点B124处的速度可仅在图1C的发射事件180和在图1D的发射事件190中 被检测到两次，以及在点C132处的速度可仅在图1B的发射事件150和图1C 的发射事件180中被检测到两次。因此，在三轮发射之后，每个点A122、B124、 和C132具有小于3个视图以有助于2D速度矢量的计算。因此，由于方向转向 的复杂性质，平面波方法在2D速度矢量的振幅和角度的互关联估计中具有不确 定性。
因此，需要一种快速简单的全扫描区域多普勒成像的方法和系统，其能够 采用与B型成像的相当的帧频获得血流的绝对速度和方向。
附图说明
参考本发明的实施方式，在附图中可示出其实施例，在附图中，相同的部 件可采用相同或类似的附图标记。这些附图旨在说明性的，而不是限制性的。 尽管在这些实施方式的上下文中总体描述了本发明，然而，应该理解，其不旨 在将本发明的精神和范围限制到这些具体实施方式。这些附图绝不应该限制本 领域的技术人员可以对发明做出的不脱离本发明的精神和范围的任何形式和细 节上的变化。
图1A是现有技术的常规超声系统的示意图；
图1B是现有技术的平面波发射的示意图；
图1C是现有技术的从一个角度的平面波发射的示意图；
图1D是现有技术的从一个不同角度的平面波发射的示意图；
图2是示出根据实施方式的快速二维(2D)血流速度系统的示意图；
图3是示出根据实施方式的在快速2D血流速度系统中的点源发射和接收波 束形成的示意图；
图4是示出根据实施方式的在快速2D血流速度系统中的位置信息计算的示 意图；
图5是示出根据实施方式的在多个发射事件中的波束数据生成的示意图；
图6A是示出根据实施方式的快速2D血流速度系统中的波束数据分组的示 意图；
图6B是示出根据实施方式的快速2D血流速度系统中的2D血流速度计算 的示意图；
图7是示出根据实施方式的快速2D血流速度系统中所用的2D血流速度检 测模块的示意图；
图8是示出根据实施方式的快速2D超声成像系统中生成超声成像的方法流 程的示意图；
图9是根据实施方式的快速2D多普勒血流速度和方向成像的方法的流程 图；
图10是根据实施方式的计算2D速度矢量的方法的流程图。
具体实施方式
结合附图，下文提供了系统和方法的一个或多个示例性实施方式的具体描 述。尽管该系统和方法结合这些实施方式被描述，然而，应该理解，该系统和 方法不限于任一实施方式。相反，该系统和方法的范围通过权利要求书来限制， 该系统和方法包括大量的替选、变型和等同物。出于示例的目的，在以下的说 明中列举了大量的具体细节，以便提供本发明的系统和方法的透彻理解。这些 细节被提供用于示例的目的，且根据权利要求书可以实施该系统和方法，而无 需这些具体细节中的一些或全部。出于清楚的目的，在与该系统和方法相关的 技术领域中已知的技术材料将不再具体描述，以免不必要地模糊本发明的系统 和方法。
描述了一种用于在复杂介质中执行流动或运动的速度和方向的超声成像的 系统，该复杂介质包括软的生物组织。各个实施方式可以在独立的硬件部件中 实施，或者可替选地，在诸如使用软件的数字信号处理器的程控处理单元中实 施，该软件被编译、链接然后从基于磁盘的存储器加载以用于在运行时间期间 执行。包括在这些实施方式中所采用的方法的各个程序还可以存在于固件或其 他类似的非易失性存储装置中。
还应该理解，本发明的系统和方法可以以多种方式实施，这些方式包括过 程、设备、装置或者计算机可读介质(例如，含有计算机可读指令或计算机程 序代码的永久计算机可读存储介质)或者计算机程序产品，该计算机程序产品 包括具有包括在其中的计算机可读程序代码的计算机可用介质。在该公开的上 下文中，计算机可用介质或者计算机可读介质可以是可包含或存储通过指令执 行系统、设备或装置使用或与指令执行系统、设备或装置结合使用的程序的任 何介质。例如，计算机可读存储介质或者计算机可用介质可以是但不限于，随 机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、或持久性存储器，例如，大容 量存储装置、硬盘驱动器、CDROM、DVDROM、磁带、可擦除可编程只读存 储器(EPROM或闪速存储器)、或者用于存储信息的任何磁性的、电磁的、红 外的、光学的、或者电学的部件或系统、设备或装置。可替选地或者另外地， 计算机可读存储介质或者计算机可用介质可以是这些装置的任一组合或者甚至 是其上印刷有程序代码的纸张或者另一合适的介质，这是由于程序代码可以例 如通过纸张或其他介质的光学扫描而以电子方式采集，然后被编译、解译、或 以合适的方式被处理(如果必要)，然后存储在计算机存储器中。应用程序、 软件程序或计算机可读指令可以被称为部件或模块。应用程序可以被硬接线或 者硬编码在硬件中或者采用在通用计算机上执行的软件的形式，或者被硬接线 或者硬编码在硬件中使得当软件被载入计算机中和/或通过计算机执行时，该计 算机变成用于实施该系统和方法的设备。通过利用能够创建和实施本发明的系 统和方法的软件开发包或工具包，应用程序还可以被整体或部分地下载。在该 说明书中，这些实现方式或者该系统和方法可以采用的任一其他形式可以被称 为技术。总之，在本发明的系统和方法的范围内，可以改变所公开的方法的步 骤的次序。
描述了超声设备和方法的各个实施方式。应该理解，本发明不限于本文所 描述的具体实施方式，这些实施方式当然可以变化。结合一个具体实施方式所 描述的一个方面不必限制于该实施方式且可以在任何其他实施方式中实施。例 如，尽管结合超声机描述了各个实施方式，然而可以理解，本发明还可以在其 他成像设备和形式中被实施。还应该理解，本文所用的术语是仅出于描述具体 实施方式的目的，且不旨在限制，这是由于本发明的范围将通过所附的权利要 求书以及该权利要求书所赋予的等同物的全部范围来限定。此外，参考附图描 述各个实施方式。应该注意，附图旨在方便描述特定的实施方式，但是它们不 旨在作为穷举性描述或者限制本发明的范围。
各个相对术语，例如，“上部”、“上方”、“顶部”、“上面”、“上”、“下面”、“下 方”、“底部”、“更高”、“更低”或类似的术语可以在本文中出于方便的目的结合 附图描述相对位置、方向或者空间关系。相对术语的使用不应该解释为暗示在 制造或使用中其结构或部分的必须的定位、取向或者方向以及限制本发明的范 围。除非上下文另有明确规定，否则如说明书和所附的权利要求书中所用的单 数形式“一”、“一个”和“该”包括多个。
下文将参考附图描述各个实施方式。应该注意，附图不是按比例绘制且类 似结构或功能的阵元在所有的附图中采用同样的附图标记来表示。还应该注意， 附图仅旨在方便描述实施方式。它们不旨在作为本发明的穷举性描述或者作为 本发明的范围的限制。此外，所示出的实施方式不需要具有所示出的所有方面 或优点。结合具体实施方式所描述的方面或优点不必限制到该实施方式且可以 在任何其他实施方式中被实施，即使没有如此说明。
尽管参考各个解剖结构的超声成像在本文描述了各个实施方式，然而，将 理解，本文所示出和描述的多个方法和装置也可以用在其他应用中，例如成像 和评估非解剖的结构和对象。例如，本文描述的超声声头、系统和方法可以被 用在非破坏性测试或各个机械对象、结构对象或材料(例如，焊缝、管道、横 梁、板、压力容器、分层结构等)的评估中。此外，用于评估所成像的物体或 物质的移动或速度的系统和方法的各个实施方式还可以被应用到非医疗情形 下，例如，测量移动通过管道、压力容器或者其他流体运送管道或容器的流体 的速度。因此，本文参考的医疗或解剖成像目标(例如，血液、血管、心脏或 其他器官)仅被提供作为可以采用本文描述的各种设备和技术来成像或评估的 几乎无穷多目标的非限制性示例。
图2示出根据实施方式的快速二维(2D)血流速度系统200的框图。示例 性系统200可包括超声声头202、操作地联接至该声头202的发射器/接收器开 关206、操作地联接至发射器/接收器开关206的发射器204、操作地联接至发射 器/接收器开关206的接收器208、操作地联接至接收器208的波束形成器210、 操作地联接至波束形成器210的接收波束处理器220、操作地联接至接收波束处 理器220的图像处理器230、操作地联接至图像处理器230的显示单元240。超 声声头202可以是用于与用于超声成像的对象接触的声头。超声声头202可包 括多个超声换能器阵元203a…203i。在内部具有换能器阵元203a…203i的声头 202的合适配置可包括但不限于直的、弯曲的(例如，凸状的)等。
示例性超声成像系统200还可包括存储器205。存储器205可包括易失性或 非易失性数字存储装置。在实施方式中，存储器205还可包括用于将数据通过 有线网络或无线网络发送到外部装置的通信电子器件。在其他实施方式中，存 储装置205可包括易失性存储器、非易失性存储器和通信电子器件的组合。尽 管在图2中存储装置205被示出为单个装置，然而存器装置205可以是可用于 发射器204、波束形成器210和接收波束处理器220等访问的且操作地联接至发 射器204、波束形成器210和接收波束处理器220等的多个装置。尽管在图2中 没有示出，在实施方式中，存储器205可以操作地联接至接收器208以存储原 始数据用于稍后处理。
在实施方式中，回波数据可以基本上实时接收、波束形成、处理和显示， 同时被存储在存储装置205中。在实施方式中，用于实时显示的处理和/或波束 形成可包括从存储装置205(其可以以缓存模式操作)检索来源于多个发射事件 的回波数据，且可以在从不同时刻所发射的多个球形波所接收的回波数据上同 时执行波束形成或处理。在实施方式中，回波数据可以存储在长期存储装置中， 且可以被波束形成和处理用于在稍后的时间显示，和/或被与系统200不同的计 算硬件使用。
超声成像过程可以开始于将一个或多个换能器阵元选择作为发射(TX)阵 元。不同于常规的超声成像系统，本发明的实施方式可使用单一的换能器阵元 或者少量的相邻的换能器阵元(即，小于4个换能器阵元)作为点源发射阵元 以发射球形超声波。在各个实施方式中，通过自动过程或手动过程可以选择发 射阵元。
尽管在图2中没有示出，但发射阵元可以通过发射控制单元来选择。在实 施方式中，发射控制单元可以是发射器204的一部分且位于发射器204上。在 各个实施方式中，发射控制单元可以是独立地存在的单独的单元或者在示例性 成像系统200的其他部件上的单独的单元。在通过发射控制单元选择时，发射 控制单元可以将关于发射事件和每个发射事件期间所用的换能器阵元的信息存 储在存储器205中。例如，在第一发射事件期间使用在声头202中的最左侧的 换能器阵元，发射事件索引1和/或换能器阵元索引1可以通过发射控制单元来 记录。在具有发射事件索引1的第一发射事件中，具有换能器阵元索引1的第 一换能器阵元可以用来将球形波重复发射至感兴趣的区域中。在第二发射事件 中，发射控制单元可选择与第一发射事件中所用的最左侧的换能阵元相邻且处 于其右侧的第二换能器阵元。第二换能器阵元可以被用作第二发射事件中的点 源发射阵元以重复地发射球形波。发射控制单元可以记录在第二发射事件中的 发射事件索引2和/或换能器阵元索引2。
如本文所用的，发射事件可包括使用一个换能器阵元或者少量的相邻换能 器阵元作为点源以重复地生成多个球形波，该球形波从该点源向外发射以照射 整个感兴趣的区域。球形波的每次重复生成是超声能量从点源发射至感兴趣的 区域。在每次重复中，发射关联于重复索引。在每次发射事件中，发射事件关 联于发射事件索引。一轮发射可包括多个发射事件，这些发射事件以递增方式 穿过声头面的宽度依次发射，因此询问整个图像帧。在一轮发射中，信息可以 被记录作为发射数据。与接收波束数据组合，来自一轮发射的数据可以用来产 生一个完整的图像帧。
发射事件索引和/或换能器阵元索引可识别用作点源发射阵元的换能器阵元 的位置。除了重复索引、发射事件索引和/或换能器阵元索引之外，其他发射信 息(诸如，换能器阵元的属性，包括间距、以及频率、大小、脉冲长度等)可 以被发射控制单元记录为发射数据。发射数据在本文中统称为“TX数据”。
一旦选择了发射阵元，则通过操作地联接至发射器/接收器开关206的发射 器204可以生成高电压脉冲序列。如本文所用的发射器可以被称为脉冲发生器。 通过发射器204所生成的高电压脉冲可以经过发射器/接收器开关206到声头202 内的换能器阵元203a..i且可以通过所选定的包括一个或多个换能器阵元203a..i 的发射阵元被转化成超声波。尽管发射超声波需要高电压脉冲，然而接收超声 波的回波可需要低电压信号。操作地联接至声头202的发射器/接收器开关206 可防止高电压脉冲损坏接收器208中的接收电子器件。因此，通过具有操作地 联接至声头202的发射器/接收器开关206，换能器阵元203a..i可起到发射阵元 和接收阵元的作用。当存在高电压脉冲时，换能器阵元可以被用作发射阵元以 生成超声。当回波传播返回到声头202时，相同的换能器阵元可起到接收阵元 的作用以收集回波作为低电压信号，然后，所收集的低电压信号在通过接收器 208被转化成数字值之前可以经过发射器/接收器开关206。
在实施方式中，用于生成多普勒成像而发射的脉冲可以是与用于生成B型 成像而发射的脉冲不同的频率和/或脉冲长度(即，周期)。例如，较长的脉冲 长度可以用于生成多普勒成像使得可以检测到来自反射器的多普勒频移；较低 的脉冲频率可以用于生成多普勒成像，以便减少发生混叠。对于脉冲生成的控 制可以是手动的和/或自动的。在实施方式中，超声系统200可以被配置成在不 同的脉冲频率和/或脉冲长度之间交替。该交替可以被记录且包括在存储器205 中所存储的TX数据中。
如本文所用的术语“点源发射”可以指将所发射的超声能量从空间位置引入 介质中。这可以通过使用单一的超声换能器阵元或者较少数量的相邻的换能器 阵元的组合(即，小于4个相邻的换能器阵元)一起发射来实现。从所述阵元 的单一发射可近似为均一的球形波。在一些情况中，从点源发射的球形波前的 单一发射在本文中可以被称为“点源脉冲”或“未聚焦的脉冲”。
使用根据实施方式的点源发射具有多个优点。首先，与图1A至图1D所示 出的常规系统相比，没有方向转向，使用点源发射是简单的。点源发射与常规 平面波发射的区别在于其空间特征。常规的发射方法关注来自换能器阵元阵列 的特定方向(沿着扫描线)上的能量。使用常规的发射方法，角度变化会是必 要的，以便检测横向血管流动速度和方向。对比而言，球形超声波覆盖整个感 兴趣的区域。即使在一个发射事件期间通过一个换能器阵元所接收的一个点处 的速度是零，组合在多个发射事件中来自多个接收换能器阵元的非零数据，在 感兴趣的区域内在每个点处的方向和速度的绝对值可以被计算，该点包括在横 向血管内的点。因此，相对于涉及方向转向的复杂的常规方法，根据没有方向 转向和角度跟踪的实施方式的本发明是简单的。
第二,本发明的实施方式比常规的系统消耗更少的能量。常规的系统会使用 多个换能器阵元且要求多轮发射，以便形成一帧图像。对比而言，本发明的实 施方式使用单一的换能器阵元或少量的换能器阵元用于每个发射事件中的球形 波发射，以及在一轮发射之后，可以形成所述一帧图像。因此，本发明的实施 方式是更节能的。
第三,根据本发明的实施方式的系统可在高帧频下产生高质量的图像而没 有预绘制的窗口的限制。利用球形波的点源发射，在各个发射事件中，感兴趣 的区域的各个点可以得到视图以有助于计算2D血流速度。在N个发射事件中， 在感兴趣的区域内的各个点可以获得N个点的视图以有助于计算2D血流速度。 对于感兴趣的区域内的各个点，利用在从声头的左侧定位到声头的右侧的换能 器阵元的一轮发射之后所接收的数据，流动速度的具体量化可以被检测到且估 计。因此，对于获得根据实施方式的彩色多普勒图像的全扫描区域，预绘制的 窗口是不需要的。不需要在感兴趣的区域内选择更少的样本量，且在多轮发射 中不需要发射连续的脉冲，故可以改善帧频。
仍参考图2，由于所发射的超声波照射整个感兴趣的区域，故它们可以移动 穿过不同密度的材料。随着在密度上的每次变化，超声波可具有方向上轻微的 变化且产生作为回波的所反射的超声波。一些回波可传播返回到换能器阵元 203a-203i且可以通过换能器阵元203a-203i被采集作为低电压信号。换能器阵元 203a-203i可将低电压信号传递到接收器208。
接收器208可包括接收器208上的模/数(A/D)转换器209。尽管在图2中 没有示出，然而，根据实施方式，除了模/数转换器209之外，接收器208还可 包括接收电路、低电压差分信号(LVDS)桥等。在接收到电信号时，模/数转换 器209可以将电信号转换成数字值。在实施方式中，通过在现场可编程门阵列 上(FPGA)运行的固件，可以执行该转换。在生成数字值之后，接收器208可 将输出发送到波束形成器210。尽管在图2中没有示出，然而，在实施方式中， 接收器208可以将输出存储到存储器205且通过波束形成器210可以获得数据。
波束形成器210可包括信道延迟控制模块212、信道先进先出(FIFO)存储 器214、和求和模块216。信道延迟控制模块212可以通过将延迟引入数字值中 而改变来自接收器208的输出。来自信道延迟控制模块212的输出可以被存储 在信道FIFO存储器214中。求和模块216可以执行在信道FIFO存储器214中 所存储的数据的求和，以形成一组接收波束。在实施方式中，波束形成器210 可以以专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器 (DSP)或者这些部件的组合来实现。
对应于来自波束形成器210的该组接收波束的数据可以被存储在存储器205 中。所存储的接收波束数据可以立即或者稍后被检索且被发送到接收波束处理 器220。接收波束数据在本文中统称为“RX数据”。RX数据可包括与各个接收波 束关联的接收波束索引，其指示接收波束的在该组接收波束中的位置。在实施 方式中，TX数据可以被存储然后在波束形成期间和/或之后被改变且生成为同时 包括TX数据和RX数据的数据集。数据集在本文可以统称为“波束数据”。在 各个实施方式中，TX数据和RX数据可以被分别存储且彼此交叉参考。
在实施方式中，接收波束处理器220可包括2D速度矢量检测模块222、合 成模块224、和位置计算模块226。位置计算模块226可以利用在存储器205中 所存储的包括TX数据和RX数据两者的数据以计算在感兴趣的区域内各个点的 位置。位置计算结果可以存储在存储器205中且被2D速度矢量检测模块222和 合成模块224使用。在实施方式中，存储器205可包括临时缓存器(易失性或 非易失性)以存储用于更快存取的中间计算结果。例如，用于彩色多普勒成像 和B型成像的位置数据可以存储在用于更快存取的临时缓存器中。在实施方式 中，如果处理硬件足以保持位置数据且使用该位置数据以用于成像处理，则可 以省略存储位置数据的步骤。
为了生成多普勒图像，在接收到波束数据时，2D速度矢量检测模块222可 处理波束数据且估计包括振幅和方向的速度矢量，然后将2D血流速度数据发送 到图像处理器230。为了生成B型图像，在接收到波束数据时，合成模块224 可以基于位置信息将波束数据分组且对数据求和，然后发送到图像处理器230 以形成B型图像数据。尽管图2所示出的多普勒处理2D速度矢量检测模块222 和B型处理合成模块224作为两个独立的模块，2D速度矢量检测模块222和合 成模块224可以被配置成一个模块或者作为单独的模块。此外，通过2D速度矢 量检测模块222和合成模块224所执行的功能可以按顺序或者并行执行。2D速 度矢量检测模块222和合成模块224处理的结果可以被存储在存储器205中和/ 或发送到图像处理器230且在显示单元240处显示。
图像处理器230可以基于合成模块224输出生成B型图像数据且基于2D速 度矢量检测模块222输出生成彩色多普勒图像数据。在实施方式中，2D血流速 度可以采用不同的颜色表示。色彩分配可取决于根据接收和/或发射信息等所计 算的血流速度。图像处理器230然后可以将B型图像数据与彩色多普勒图像数 据组合(即，并排)或者叠加以用于通过显示单元240显示。在实施方式中， 2D血流速度信息和/或彩色多普勒图像可以独立地表示，这是由于点源发射可照 射通过对应的B型图像的范围所限定的整个感兴趣的区域。
在实施方式中，图像处理器230可包括配置成执行指定过程的任何数字信 号处理和/或计算部件。例如，在各个实施方式中，图像处理器230可以通过在 GPU上运行的软件或者通过在FPGA架构上运行的固件来执行。图像处理器230 可包括任何视频和/或音频处理硬件、固件和软件部件，这些部件可以配置成将 图像帧汇集成用于显示和/或存储的视频流。
图3示出根据实施方式的在多发射事件期间利用点源发射以获得用于快速 2D多普勒血流速度估计的RX数据的示例性系统300。本文描述的示例性系统 300的实施方式利用未聚焦的球形超声波以照射整个视野，使得多普勒频率在B 型视野中的任一位置可以被检测到而没有预绘制的多普勒窗口限制。此外，包 括移动反射器的速度和方向的2D速度矢量可以被检测到而无需相对于运动方 向对齐声头。本发明的各个实施方式的简易性允许同时改善B型图像的横向分 辨率和多普勒速度估值的精度。
如本文所用的术语“超声换能器阵元”和“换能器阵元”可具有在超声成像技 术领域中的技术人员所理解的其一般含义，且可以涉及而不限于能够将电信号 转变成超声信号和/或将超声信号转变成电信号的任一单一部件。例如，在实施 方式中，超声换能器阵元可包括压电器件。还可以使用其他类型的超声换能器 阵元来代替压电器件。换能器阵元通常被配置成多个阵元的阵列。如本领域的 技术人员所理解的，在实施方式中，阵列可具有直线或曲线的形状的一个维度。
如本文所用的术语“发射阵元”可以涉及而不限于一个或多个超声换能器阵 元，其至少暂时执行发射功能，其中，电信号被转变成超声波。类似地，术语“接 收阵元”可以涉及而不限于一个或多个超声换能器阵元，其至少暂时执行接收 功能，其中，入射至一个或多个阵元上的超声波被转变成电信号。将超声波发 射至介质中在本文也可称为“照射”。反射超声波的对象或结构可以被称为“反射 器”或“散射器”。反射器可以被识别为一个或多个点。一个点可以被称为在感兴 趣的区域内的一个位置或地点。以及该点可以呈现为在超声图像的显示器上的 一个或多个像素。
与常规的超声成像系统不同，示例性系统300的实施方式可以使用点源发 射以发射球形波。在每个发射事件期间，从点源重复发射的球形超声波330可 以照射整个感兴趣的区域。各个发射事件可以关联于发射事件索引。在实施方 式中，基于发射事件索引，可以确定换能器阵元在用作用于发射的点源的声头 内的相对位置。
例如，在图3中，声头可包括换能器阵元的线性阵列。从左至右的各个换 能器阵元可以关联于换能器阵元索引。如图3中所示，在发射事件x期间，具 有索引i的换能器阵元310被用作点源以重复地将球形波发射至感兴趣的区域 中。对于每个发射事件，发射数据可以被存储在存储器205中。发射数据可包 括重复索引、发射事件索引和/或换能器阵元索引、换能器阵元的位置、在发射 事件中所用的发射阵元的数量、换能器阵元的属性(包括间距)、以及频率、 大小、脉冲长度、持续时间或者与在发射事件中发射超声球形波关联的其他信 息。
尽管图3示出在每个发射事件中将一个换能器阵元用作点源，然而在根据 实施方式的每个发射事件期间可以使用少量的相邻的换能器阵元，如多达4个 相邻的换能器阵元。此外，尽管图3示出，在将第i个换能器阵元用作用于发射 球形波的点源之后将第(i+1)个换能器阵元用作点源，然而，在实施方式中， 在两个连续的发射事件中的换能器阵元的位置移动可以大于1。另外，各个发射 事件可使用不同数量的换能器阵元以用于球形波发射。
例如，定位在声头的表面上的位置处的具有换能器阵元索引1的换能器阵 元可以用于具有发射事件索引1的第一发射事件。在具有发射事件索引2的下 一发射事件中，可以使用具有换能器阵元索引2的换能器阵元。在实施方式中， 代替使用索引为2的换能器阵元，可以移动两个换能器阵元位置且可以使用具 有换能器阵元索引3的换能器阵元。因此，在后续发射事件中所用的第二换能 器阵元可以被定位成与当前发射事件中所用的第一换能器阵元相距一个或多个 换能器阵元。在另一示例中，当每次发射球形波使用两个换能器阵元时，在一 个发射事件x期间，可以使用索引为(i,i+1)的换能器阵元，且在发射事件x+1 中，可以使用具有索引为(i+1,i+2)的换能器阵元。在其他实施方式中，移动 两个或更多个阵元位置(诸如使用换能器阵元对(i+2,i+3)或(i+3,i+4))可 以被配置用于每个发射事件。
在实施方式中，代替存储发射阵元索引和发射事件索引，发射阵元索引可 以表达成发射事件索引的函数。该函数可以与其他指标一起使用，以追踪在每 个发射事件期间所使用的换能器阵元的数量和换能器阵元的位置。这些指标可 包括在各个发射事件中所用的换能器阵元的数量，在第一发射事件中所用的换 能器阵元的起始位置、和在两个连续的发射事件之间的换能器阵元索引的差值， 等。该函数和这些指标可以被存储为在存储器205中的TX数据的一部分。
例如，计数器x可以用于各个发射事件。计数器可以被用作根据实施方式 的发射事件索引。在实施方式中，存储器205可包括暂时缓存器(易失性或非 易失性)，以存储用于更快存取的计数器x。在其他实施方式中，如果处理硬件 足以保持计数器x且使用该计数器x以用于2D血流速度计算，则可以省略存储 该计数器的步骤。发射阵元索引i可以表达为发射事件索引的函数，即，计数器 x的函数，例如，i＝x。结合其他指标，例如，在各个发射事件中使用一个换能 器阵元，函数i＝x可指示，一个换能器阵元被用作在各个发射事件期间的发射 阵元，相邻的换能器阵元被用在连续的发射事件中。结合其他指标，例如，在 各个发射事件期间使用三个换能器阵元，该函数和这些指标可以描述用于发射 球形波的换能器阵元模式(1,2,3),(2,3,4),(3,4,5)…(i,i+1,i+2)…。 类似地，结合其他指标，函数I＝x+3可指示，在各个发射事件期间使用一个 换能器阵元，例如1,4,7,…i…，或者在各个发射事件期间使用三个换能器阵元， 例如，(1,2,3),(4,5,6),(7,8,9)…(i,i+1,i+2)…。
再次参考图3，在发射球形波之后，通过集中在点源的周围且与点源相邻的 多个接收换能器阵元320-326可以接收回波。如上文所述，通过具有操作地连接 到声头的发射器/接收器开关，换能器阵元可发挥发射阵元和接收阵元的作用。 当存在高电压脉冲时，一个或多个换能器阵元可以被用作点源发射阵元以生成 超声。当回波传播返回到声头时，在实施方式中，相同的换能器阵元或者包括 点源发射阵元的多个接收换能器阵元332-336可起到接收阵元的作用，以收集作 为低电压信号的回波，然后所收集的低电压信号在通过接收器被转换成数字值 之前可以经过发射器/接收器开关。数字值然后通过经过信道延迟控制单元112 可以被波束形成，其被存储在FIFO存储器中，然后在求和模块116中被求和。 波束形成输出350可以被存储在存储器205中以用于处理。每个波束可关联于 接收波束索引，例如，(…k-2,k-1,k,k+1,k+2,k+3…)等。伴随接收波束索引 的接收波束数据然后可以被存储在存储器205中作为RX数据。使用TX数据和 RX数据，覆盖感兴趣的区域中的位置的波束可被识别且基于该位置被分组。与 所分组的波束关联的数据然后可以用来计算对于在感兴趣的区域中的每个位置 的2D血流速度。
如本文所用的，波束形成常被理解为这样的过程：通过该过程，通过多个 换能器阵元所接收的信号被延迟求和以形成超声图像帧中的扫描线。在波束形 成和/或接收波束处理期间，本发明的实施方式不仅可以确定血流的速度的绝对 值和方向，而且可以确定在感兴趣的区域内的反射器的位置。对应于所接收的 回波数据的部分的反射器的位置可以基于超声信号可已经行进的路径、声音的 假定的恒速、和在发射和接收回波的时间之间的经过时间来确定。一旦已经计 算这样的距离，则可以三角测量在感兴趣的区域内的可能位置。
图4是根据实施方式的计算在感兴趣的区域内的位置的示例性方法400。在 波束形成和/或接收波束处理期间，接收波束可以被分组和合成以形成所有聚焦 的波束，该波束包括发射动态聚焦的波束和接收动态聚焦的波束。如本文所用 的，所有聚焦的波束是指以下事实：通过发射球形波以照射整个感兴趣的区域 和从整个感兴趣的区域接收回波，感兴趣的区域的任一部分总是被聚焦。因此， 所有聚焦的波束是指以下事实：动态聚焦发生在发射时间和接收时间处。所有 聚焦的波束可以用来识别图像帧中的对应于感兴趣的区域中的位置的位置。
在图4中，在发射事件中，在点O处集中的一个或多个换能器阵元可以被 用作点源以将球形波发射到感兴趣的区域。尽管图4示出仅一个发射阵元作为 点源，然而，在点O处集中的较少数量的相邻换能器阵元可以被用作点源。例 如，当将两个或四个相邻的换能器阵元用作点源发射阵元以发射球形波时，发 射阵元的中心可以是在两个或四个换能器阵元之间的中点；当将三个相邻的换 能器阵元用作点源发射阵元以发射球形波时，发射阵元的中心可以是中间的换 能器阵元。一个或多个换能器阵元中心的位置可以基于发射事件索引和/或换能 器阵元索引、在TX数据中所存储的其他指标(例如，在发射事件中所用的换能 器阵元的数量)来确定。
在球形波发射之后，通过集中在点O的周围且相邻于点O的多个接收换能 器阵元，可以接收回波。在使用图3中所示出的方法波束形成之后，可以形成 多个波束，在每个波束之间的距离可以基于例如线密度和/或声头内部容纳的换 能器阵元的属性(包括换能器阵元之间的空间)等来确定。例如，这样的信息 可以从在各个发射事件中所记录的TX数据来获取。
例如，在发射事件中形成K个波束，第K/2个波束(在图4中示出为第k 个波束)的位置经过发射中心O。利用线密度和/或声头内的换能器阵元的属性 (诸如换能器阵元之间的空间)，可以确定在第k个波束的发射中心和第k-x 个波束的发射中心之间的距离，在图4中表示为BO的长度，B是声头上的位置 以及∠ABO的角度是90度。沿着第k-x个波束所定位的位置A处的反射器的深 度可以基于用于第k-x个波束的波束数据来确定。在用于第k-x个波束的波束数 据中，假定恒定的声速，则在发射和接收回波的时间之间的经过时间T可以用 来计算BA的距离。在图4中，BA的距离可以等于声速乘以T/2，即，BA＝c* T/2，其中，c是恒定的声速。
一旦确定A和B之间的距离以及B和O之间的距离，如图4中所示，可以 三角测量反射器A的位置。位置计算还可包括对于在发射事件中的点A的多普 勒角度(在图4中用Ang表示)的计算。如本文所用的，多普勒角度是在反射 器的朝向发射点源的速度方向和波束的方向之间所形成的角度的余角。例如， 在图4中，在将O用作点源的发射事件中，在波束方向BA和反射器A的朝向 点源O的速度方向之间的角度是∠BAO，∠BAO的余角是∠AOB。假定∠ABO 是90度，绘制垂直于波束方向BA的轴线，在OA和轴线之间的相同的多普勒 角度Ang是多普勒角度。利用BA的距离和OA的距离，可以三角测量对于发 射事件的多普勒角度，即，Ang＝arctan(BA/OA)。
在各个发射事件期间对于在感兴趣的区域中的各个点已经计算包括多普勒 角度的位置信息后，位置信息可以被存储在存储器205中。如上所述，位置信 息可以关联于且源于TX数据和RX数据。在发射期间，基于发射事件索引，可 以获得发射阵元索引和发射阵元的位置，该发射阵元例如为在图4中的点O处 所定位的换能器阵元。在接收期间，基于线密度和换能器阵元属性，接收波束 索引k等，可以获得如图4中所示在B和O之间的距离。在实施方式中，位置 信息以及在位置和TX数据、RX数据之间的关联可以被存储在存储器205中。 在其他实施方式中，该关联可以表达成函数且通过2D速度矢量检测模块222和 合成模块224使用。
尽管图4示出在位置计算中利用线性示例性声头，然而，声头的适合的配 置可包括但不限于线性的、弯曲的(例如，凸状的)等。在图4中所示的位置 计算可以适于声头的不同配置。例如，在弯曲的声头中，在B和O之间的距离 可以基于波束之间的角度、B和O之间的波束的数量以及AB的深度等来确定。
图5示出根据实施方式的在多个发射事件中的波束数据生成的示例性系统 500。在一个示例性设置中，在各个发射事件期间仅使用一个换能器阵元。在索 引为x的发射事件中，换能器阵元512可以用来重复发射球形波M次。对应于 使用换能器阵元512的发射事件的TX数据可包括重复索引、换能器阵元512 索引n和发射事件索引x、以及换能器阵元512的位置、换能器阵元512的属 性(包括间距)、以及频率、大小、脉冲长度、持续时间或与在发射事件x中 利用换能器阵元512发射超声球形波关联的其他信息。
所接收的回波可以被波束形成以生成多个由K个波束组成的波束。接收波 束数据可以被记录且存储在存储器205中作为RX数据的一部分。结合TX数据， 波束数据B可以关联于索引如n、k、和m，其中，n是发射事件索引，k是同 时接收波束索引，以及m是重复索引。波束数据B(n,k,m)可指示，对于在 感兴趣的区域内的点，在第n个发射事件中利用点源发射第m次来收集接收波 束数据，以及该点被第k个接收波束覆盖。
如图5中所示，在发射事件x中，换能器阵元512可以被用作点源以重复 地发射球形波M次到感兴趣的区域。一旦对于发射事件x形成K个波束，则波 束数据B(n,k,m)550可以被存储在存储器205中，其中，n＝x,k＝1…K,m＝ 1…M。波束数据可包括振幅、频率、在发射和接收回波的时刻之间的经过时间 t以及基于其可以对速度估值的其他信号信息。如图5中进一步示出，在不同的 发射事件y中，波束数据B(n,k,m)560可以生成且存储在存储器205中，其 中，n＝y，k＝1…K，以及m＝1…M。结合在一轮发射内来自多个发射事件的 波束数据，可以计算在帧内的2D血流速度。
与常规的系统和方法不同，根据实施方式的本发明是简单的和快速的。在 图1A中所示出的常规系统要求预绘制的窗口。仅预绘制的窗口内的所选定的区 域被发射多次。对比而言，采用根据本发明的实施方式的球形波的发射，整个 感兴趣的区域可以被照射且回波可以从整个感兴趣的区域接收。在一轮发射之 后，在感兴趣的区域内的任一部分可以被识别，对于在感兴趣的区域内的任何 点，可以计算2D血流速度。因此，相对于图1A中所示的常规系统，没有预绘 制窗口的根据实施方式的本发明可以快速获取图像帧。
此外，在图1B至图1D中所示出的常规系统在没有方向转向的情况下不能 检测横向血管内部的流速。如图1B至图1D中所示，常规系统可要求方向转向 以形成角度，以便计算在横向血管120内的速度。对比而言，如图5中所示， 对于在横向血管520内的点530-540，可以在一轮发射之后计算2D血流速度而 无需方向转向。使用球形波，在一轮发射内的N个发射事件中，在感兴趣的区 域内的各个点可以得到N个视图以有助于2D血流速度的计算。即使由于在发 射事件x中血管520内的流动方向垂直于波向而在发射事件x中诸如533的点 可以具有零速度，然而不同的发射事件y中，可以检测到非零的速度。结合来 自不同发射事件所记录的数据，对于在横向血管520内的点530-540可以计算 2D血流速度而没有方向转向。在图6A中进一步示出用于2D血流速度计算的波 束数据分组。
图6A示出根据实施方式的示例性快速2D血流速度系统600，其中，基于 位置对接收波束分组。为了形成一帧，可以执行包括N个发射事件的一轮球形 波发射。尽管图6A中示出将一个换能器阵元用作点源发射阵元，然而，少量的 相邻的换能器阵元可以被用作点源以将球形波重复发射至感兴趣的区域中。在 另一点源用来发射球形波之前，在各个点源处的球形波发射可以被重复M次。 在球形波发射之后，在各个发射事件中可以接收回波，从所接收的回波可以波 束形成多个由K个波束组成的波束。
例如，在一个发射事件x中，第i-2个换能器阵元可以用于球形波发射以及 可以形成K个波束。在波束中，利用图4中所示出的上述方法，可以定位对应 于第k个波束的相对位置，以及利用下文如图7中所示的方法，从波束数据B (x,k,m)可以计算沿着第k个波束而定位的点的速度。在将第i-1个换能器阵 元用于球形波发射的下一个发射事件x+1中，可以再一次形成K个波束。在这 些波束中，对应于第k-1个波束的相对位置可以被定位，从波束数据B(x+1,k-1, m)，可以计算沿着第k-1个波束而定位的点的速度。
在实施方式中，在确定发射事件x中第k个波束的相对位置和发射事件x+1 中第k-1个波束的相对位置相同时，在2D血流速度计算期间可以结合对应于例 如B(x,k,m)和B(x+1,k-1,m)的波束数据的速度。基于线密度和/或在声头 内的换能器阵元的属性(包括换能器阵元之间的空间)等，可以确定在各个发 射事件期间波束的相对位置。对于2D血流速度计算的分组可包括对应于在一轮 发射内来自多个发射事件的同一位置的波束的波束数据，例如，对应于发射事 件x+2中的第k-2个波束的波束数据、对应于发射事件x+3中的第k-3个波束的 波束数据…对应于发射事件N中的第k-N+x个波束的波束数据等。通过将对应 于在多个发射事件中的相同位置的波束数据分组，利用下面的图6B中所示的方 法，可以计算对于在感兴趣的区域内的点的2D血流速度。
图6B是示出根据实施方式的快速2D血流速度系统中的2D血流速度计算 的示意图。在图6B中，利用图6A中所示出的分组的波束数据，可以计算在点 A处的2D血流速度。基于波束数据，利用图4中所示的方法，可以计算位置信 息。利用图6A中所示的分组方法和位置信息，可以识别在N个发射事件中的 覆盖点A的波束。在识别到波束时，例如，通过从存储器205检索，可以获得 对应于这样的波束的波束数据。基于波束数据，利用下面的图7中进一步示出 的方法，可以计算速度。利用速度和位置信息，可以计算对于在感兴趣的区域 内的各个点的2D血流速度。
例如，在利用换能器阵元发射球形波的发射事件x610中，可以接收回波且 可以生成波束数据。波束数据可以关联于发射数据和接收数据两者。在实施方 式中，如下面的图7中进一步示出，基于波束数据可以计算速度。所计算的速 度可以关联于发射事件索引和接收波束索引，即，v(x,k)可指示，利用与在 发射事件x中的第k个波束关联的波束数据来计算速度，以及v(y,k’)可指示， 利用与在发射事件y650中第k’个波束关联的波束数据来计算速度。
除了速度之外，利用波束数据，还可以计算位置信息。利用在上文图4中 所示的方法可以计算在各个发射事件中的例如多普勒角度的位置信息。在图6B 中，在发射事件x610中，利用以上的图4中所示出的方法，可以计算对于位置 A的多普勒角度Ang(x,k)。类似地，在发射事件y650中，利用图4中所示 的方法，可以计算对于位置A的多普勒角度Ang(y,k’)。
计算速度和多普勒角度之后，基于几何形状可以计算2D血流速度。例如，令表示在点A处的2D速度矢量。如本文所使用的，通过包括振幅分量和角度分量的2D速度矢量，可以表示在感兴趣的区域内的点处的2D血流速度。如本文进一步所用的，2D速度矢量的振幅分量或者对应的2D血流速度的振幅也称为2D速度矢量的大小或绝对值。
令v(x,k)表示点A的沿着多普勒方向的速度，以及Ang(x,k)表示利用 对应于在发射事件x610中的第k个接收波束的波束数据所计算的点A的多普 勒角度。令v(y,k’)表示点A的沿着多普勒方向的速度，以及Ang(y,k’)表 示利用对应于在发射事件y650中的第k’个波束的波束数据所计算的点A的多 普勒角度。基于几何形状，利用下式[1]至[3]，可以计算在图6B中标记为α的 2D速度矢量的角度分量，且可以计算2D速度矢量的绝对值。
v ( x , k ) c o s ( A n g ( x , k ) ) * c o s α + s i n ( A n g ( x , k ) ) * s i n α = v ( y , k ′ ) c o s ( A n g ( y , k ′ ) ) * c o s α + s i n ( A n g ( y , k ′ ) ) * s i n α - - - [ 2 ] ]]>
t a n ( α ) = v ( x , k ) c o s ( A n g ( y , k ′ ) ) - v ( y , k ′ ) c o s ( A n g ( x , k ) ) v ( y , k ′ ) s i n ( A n g ( x , k ) ) - v ( x , k ) sin ( A n g ( y , k ′ ) ) - - - [ 3 ] ]]>
上式和图6B示出结合来自两个发射事件610、650的TX数据和RX数据用 于2D速度矢量计算。在实施方式中，在一轮发射中来自多个发射事件的波束数 据可以被结合以计算对于在感兴趣的区域内的各个点的2D速度矢量。例如，在 线密度被设置为1的示例性系统中，使用下面的示例性公式[4]和[5]，可以计算 2D速度矢量。在实施方式中，相同的公式[4]和[5]可以适用于当线密度被设置成 多达4的值，即，2、3或4。2D血流速度的振幅可表示在该点处的血流速度， 下式中用S表示；2D血流速度的角度分量可表示血管角度，用α表示。如本文 所用的，2D速度的角度分量或者对应的2D血流速度的角度分量也可称为血管 角度或者血流的方向。
tan ( α ) = 1 k - 1 Σ v ( n , k ) cos ( A n g ( n + 1 , k - 1 ) ) - v ( n + 1 , k - 1 ) cos ( A n g ( n , k ) ) v ( n + 1 , k - 1 ) sin ( A n g ( n , k ) ) - v ( n , k ) sin ( A n g ( n + 1 , k - 1 ) ) - - - [ 4 ] ]]>
在上述公式中，对于不同的配置，求和与平均可以是不同的。在实施方式 中，为了改善2D血流速度估计的质量，可以使用加权的平均值代替平均值，以 给出在不同位置处波束的不同权重。
图7是示出在根据实施方式的快速2D血流速度系统700中所使用的2D血 流速度检测模块的示意图。2D速度矢量检测模块222可包括用于接收波束数据 的IQ解调模块720、用于估计速度的操作地连接到IQ解调模块720的相位估计 器730、操作地连接到相位估计器730的分组单元740、方向估计器750、和速 度估计器760。在波束形成之后，波束数据可以被存储在存储器205中。波束数 据可以关联于TX数据和RX数据。在实施方式中，波束数据可以关联于发射事 件索引n、接收波束索引k和重复索引m，例如，B(n,k,m)。波束数据然后 可以通过IQ解调模块720处理，以生成同相值(I)和正交值(Q)。在实施方 式中，同相值和正交值可以关联于索引(n,k,m)且作为I(n,k,m)和Q(n,k, m)存储在存储器205中。在各个实施方式中，如果处理硬件足以处理波束数据 而没有实质延迟，则可以省略存储I(n,k,m)和Q(n,k,m)的步骤。
基于IQ值，通过首先在相位计算器732中计算相移，相位估计器730可计 算速度。在实施方式中，在发射事件中的重复发射期间，利用IQ值，位于相位 估计器730上的相位计算器732可使用下式来估计相移。在替选实施方式中还 可以使用计算相移的其他方法。
P ( n , k ) = 1 2 πT P R F tan - 1 [ Σ m = 1 M I ( n , k , m ) Q ( n , k , m - 1 ) - Q ( n , k , m ) I ( n , k , m - 1 ) Σ m = 1 M I ( n , k , m ) I ( n , k , m - 1 ) - Q ( n , k , m ) Q ( n , k , m - 1 ) ] - - - [ 6 ] ]]>
其中，TPRF是超声信号的周期，以及根据组织，M在4至16的范围内。
基于该相移，通过位于相位估计器730上的相位计算器732可以估计速度。 作为速度计算器732的基础的理论是来自运动声散射体的连续回波显著不同， 而来自静止声散射体的连续回波近似相同。在来自运动声散射体的连续回波之 间的差异在于，相对于它们的源波束的生成，它们发生在不同时刻处。相对于 它们的发射频率，该时间差实现了在连续回波之间的相移变化。相移变化的大 小与声散射体的速度成正比。因此，通过测量在连续回波之间的相移变化，可 以检测到运动声散射体的存在，且可以估计其速度。在实施方式中，基于相移， 下式可以用来估计速度。
v ( n , k ) = c * T * P ( n , k ) 4 π * P R F ; - - - [ 7 ] ]]>
c是超声波的行进速度；
T是所发射的超声频率的周期；
PRF是脉冲重复频率。
然后，通过分组单元740，根据图6A中所示出的方法，可以将上文获得的 速度分组。方向估计器750可以使用针对位置所分组的v(n,k)，以如图6B 所示的且利用例如上式[4]至[5]计算血管角度α。速度估计器760可以使用血流 角度α和针对位置所分组的速度v(n,k)，以计算2D速度矢量的振幅分量， 表示为血流速度S。计算血流速度S和血管角度α之后，可以确定2D速度矢量。
图8是示出根据实施方式的快速2D超声成像系统800中生成超声成像的 方法流程的示意图。为了形成一帧，到感兴趣的区域的一轮球形波发射可包括 多个发射事件，例如发射事件1810…发射事件N820。在各个发射事件中，点 源可以用来将球形波重复发射至感兴趣的区域中。重复发射可以关联于重复发 射索引m。各个发射事件可以关联于发射事件索引，在各个点源处来自M个重 复发射的发射数据可以被存储在存储器205中作为TX数据的一部分。从球形波 的发射所接收的回波可以用来形成多个接收波束。各个接收波束可以关联于接 收波束索引，例如，1,2,…K。具有接收波束索引的接收波束数据可以被存储在 存储器205中作为RX数据的一部分。结合TX数据和RX数据，波束数据可以 被生成且存储在存储器205中。如图8中所示，波束数据可以用于B型图像和 彩色多普勒图像两者。
在实施方式中，波束数据可以关联于发射事件索引n、接收波束索引k和重 复发射索引m。用于2D速度矢量计算的2D速度矢量检测模块222、用于计算 感兴趣的区域内的各个点的位置信息的位置计算模块226、和用于计算B型成像 数据的合成模块224，可以使用波束数据B(n,k,m)。利用在图4中所示出的 方法可以计算位置信息，该位置信息包括感兴趣的区域内的点相对于发射点源 的相对位置和该点相对于发射点源的多普勒角度。位置信息可以关联于发射事 件索引和接收波束索引，例如，Ang(n,k)表示在发射事件n中沿着第k个接 收波束的点相对于点源的多普勒角度。2D速度矢量计算模块222和合成模块224 两者可以使用位置信息。
当计算2D速度矢量时，波束数据可以用来首先在IQ解调模块720中生成 IQ数据。IQ解调模块720可以将同相值和正交值分开且将IQ值与索引(n,k,m) 关联。然后相位估计器730可以使用I(n,k,m)和Q(n,k,m)的值，以利用 上式[6]和[7]计算相移和速度。来自相位估计器730的输出可包括速度，例如，v (n,k)，其中，n是N个发射事件的发射事件索引，以及k是K个接收波束的 接收波束索引。
然后，通过分组单元740，根据图6A中所示的方法，可以将速度v(n,k) 和多普勒角度Ang(n,k)分组。通过方向估计器750和速度估计器760可以使 用针对位置所分组的v(n,k)和Ang(n,k)，以如图6B所示的且利用例如上 式[4]–[5]来计算一位置处的血管角度α和血流速度。计算对于在感兴趣的区域 内的各个点的血流速度S和血管角度α之后，可以确定对于在感兴趣的区域内 的各个点的2D速度矢量。然后，通过图像处理器230可以获得2D速度矢量以 形成彩色多普勒图像。
除了彩色多普勒图像之外，图像处理230也可以接收通过合成模块224所 生成的B型数据。利用波束数据B(n,k,m)和从波束数据B(n,k,m)获取 的位置信息，可以生成B型扫描线数据。当计算B型图像时，波束数据B(n,k, m)可以被布置以形成扫描线图像。结合B型图像数据与彩色多普勒图像数据 或将B型图像数据与彩色多普勒图像数据叠加，图像处理器230可以生成显示 数据且将该显示数据发送到显示单元240。在实施方式中，2D血流速度信息和/ 或彩色多普勒图像可以独立地表示，这是由于点源发射可照射通过相应的B型 图像的范围所限定的整个感兴趣的区域。
如上文所述，在实施方式中，利用具有128个换能器阵元的声头发射球形 波，在一轮发射之后，可以获得针对感兴趣的区域中的所有点的2D速度矢量。 相对于多轮发射以获得多普勒图像的小窗口的常规系统，根据实施方式的本发 明是快速的。在使用球形波的点源发射的实施方式中，帧频可以等于在一帧中 的发射数量乘以反射器的深度的倒数。
其中，c是超声波的行进速度；
发射数量＝N*M；
N是发射事件的数量；
M是重复的次数。
如上文所示，在实施方式中，帧频会涉及N和M的乘积。根据实施方式的 系统对于不同超声图像用途可以配置N和M，使得帧频是高的且可以获得高质 量的成像数据。
例如，每秒30帧的帧频对于B型图像以及人眼识别可以被认为是可接受的。 当检测在组织中处于10cm的深度处的反射器时，发射控制单元可以被配置成从 具有128个阵元的声头上的一些换能器阵元跳跃发射，即，仅从具有0、4、8、 12等索引的换能器阵元发射。因此，代替将N配置成128，发射控制单元可以 将N配置成32。从一些换能器阵元的跳跃发射节省时间且改善发射速度。从较 小数量的N所节省的时间可以用在重复发射配置的数量中以确保，对于2D速 度矢量估计，在10cm的深度处检测到足够的多普勒频移。
例如，为了提供每秒30帧的B型可比较的帧频，发射控制单元可以被配置 成导向各个点源，以在10cm的深度处的组织中的反射器的2D速度矢量估计期 间的发射事件中重复地发射8次，即，M被配置成8。因此，存在总的N×M＝32 *8＝256个发射以完成一轮扫描。利用上文的帧频计算公式，与B型图像帧频 相比，根据实施方式的系统(N配置成32以及M配置成8)可以产生的帧频为 每秒30帧，1/(2*0.1m/(1540m/秒)*256)。
用于适应不同的超声成像用途的根据实施方式的系统的灵活性不限于在发 射侧上的N和M配置。在接收侧上，通过控制信道的数量和信道延迟的量可以 配置波束的数量K，使得足够的波束数据可以被收集以确保图像质量且同时不 太多的波束数据被收集以保持可管理的计算复杂性。例如，在图3中，信道延 迟控制器212可以将巨大的信道延迟量引入各个信道FIFO214a…n。如果存在 64个信道且形成28个波束，则可以在信道延迟控制总线212上以数据采样率来 准备1792个延迟，即，64*28＝1792个延迟。另一方面，如果需要同时形成256 个波束，则可需要准备16384个延迟，即，64*256＝16384个延迟。因此，通 过控制信道的数量和信道延迟的量，根据实施方式的系统平衡对于不同的超声 成像需求的质量和计算复杂性之间的权衡。当根据实施方式的方法和系统调整 成一系列乘积时，该系统的这样的灵活性变得容易得到。
图9是根据实施方式的通过示例性系统200所执行的快速2D多普勒血流速 度和方向成像的计算机实施方法900的示意图。通过发射控制单元执行操作910。 操作910被执行以从位于声头202内的换能器阵元203a…i中选择第一换能器阵 元作为第一发射事件中的发射阵元。在选择发射阵元之后，通过发射阵元执行 操作920以将球形波从发射阵元重复地发射至感兴趣的区域中。在球形波发射 期间，点源位置被识别为集中在发射阵元的中间。在实施方式中，发射阵元可 包括多达4个相邻的换能器阵元。在实施方式中，选择作为下一发射事件中的 发射阵元的第二换能器阵元被定位成与第一换能器阵元相距一个或多个换能器 阵元。
例如，在第一发射事件中，换能器阵元索引为零的第一换能器阵元可以被 选定。在紧接在第一发射事件之后的第二发射事件中，换能器阵元索引为1的 第二换能器阵元可以被选定作为用于球形波发射的点源。在第一发射事件中的 点源位置是换能器阵元0的中心，以及在第二发射事件中的点源位置是换能器 阵元1的中心。
在另一示例中，在第一发射事件中，可以选择换能器阵元索引为(0,1)的 两个换能器阵元。在紧接在第一发射事件之后的第二发射事件中，换能器阵元 索引为(2,3)的两个其他换能器阵元可以被选定作为用于球形波发射的点源。 在第一发射事件中的点源位置集中于换能器阵元(0,1)的中间，在第二发射事 件中的点源位置集中于换能器阵元(2,3)的中间。
在将球形波发射至感兴趣的区域中之后，对于在重复发射中的一次发射， 操作930通过发射控制单元来执行以将与该一次发射关联的发射数据存储在存 储器205中。在实施方式中，发射数据可以关联于发射事件索引和/或换能器阵 元索引，该换能器阵元索引识别用作点源发射阵元的换能器阵元的位置。除了 与每个重复发射关联的重复索引、发射事件索引和/或换能器阵元索引之外，其 他发射信息，诸如换能器阵元的属性(包括间距)、以及频率、大小、脉冲长度 等，也可以被记录作为发射数据。
在完成发射数据记录时，操作940通过接收器208和波束形成器210来执 行，以在借助集中在发射阵元周围的一组换能器阵元接收到从感兴趣的区域所 反射的超声回波时，生成表示多个波束的波束数据。在波束数据生成的过程中， 接收器208可首先将所接收的超声回波转换成数字数据。位于波束形成器210 上的信道延迟控制器212然后可以将延迟施加到数字数据以获得中间输出。中 间输出可以被存储在信道FIFO存储器214中，然后求和模块216将中间输出求 和以提供表示多个波束的波束数据。然后，根据实施方式，在操作950中，波 束形成器210可以将波束数据与发射数据关联，使得波束数据可包括发射数据 和接收数据两者。在实施方式中，接收数据可以关联于接收波束索引，该接收 波束索引指示接收波束的在接收波束组中的位置。然后，在操作960中，通过 波束形成器210，所生成的波束数据可以被存储到存储器205。
操作930至操作960可以在各个重复的发射中执行以收集波束数据。发射 控制单元在每个发射事件中可以配置M次重复的发射。判定操作970可以通过 发射控制单元来执行，以确定在发射事件中是否已经完成M次的重复发射。在 确定M次的重复发射已经完成时，通过发射控制单元可以执行判定操作972以 确定所有的发射事件是否已经完成以形成一帧彩色多普勒图像。在确定需要更 多的发射事件时，通过发射控制单元执行操作974以将第二换能器阵元选定作 为发射阵元，以及操作920至操作970可以被再次执行以发射球形波且收集用 于完整的帧的波束数据。
在接收波束数据之后，通过IQ解调模块720和相位估计器730执行操作980 以处理波束数据，以便获取速度。一旦从波束数据得出速度，则通过2D速度矢 量检测模块222执行操作990以基于位置将速度分组，对于在感兴趣的区域内 的位置，其中，通过在多个波束内的一个波束覆盖该位置，2D速度矢量检测模 块222基于与该位置关联的速度和位置信息可以计算与该位置关联的2D速度矢 量。在实施方式中，通过位置计算模块226可以计算位置信息。位置信息可以 关联于且源自发射数据和接收波束数据两者。在获得对于感兴趣的区域中的所 有点的位置信息之后，在操作990中可以使用该位置信息以计算对于感兴趣的 区域中的所有位置的2D血流速度，使得在一轮发射之后可以生成2D血流速度 图像的一个完整的帧。在2D血流速度图像中，彩色可以被分配以将不同的速度 表示成2D彩色多普勒图像。2D彩色多普勒图像可以独立地显示。在实施方式 中，2D血流速度图像可以被映射在B型图像上。B型图像可以是基于波束数据 所生成的一帧黑白图像。该帧2D彩色多普勒图像和B型图像可以一起显示。
图10是根据实施方式的通过示例性系统200执行的计算2D速度矢量的计 算机实施方法1000的示意图。操作1010通过波束形成器210来执行，以生成 表示在多个发射事件中所形成的多个波束的波束数据。在实施方式中，波束数 据可包括发射数据和接收波束数据两者，且关联于发射事件索引n、重复索引m、 和接收波束索引k。
例如，为了形成一帧2D血流图像，可以执行具有N个发射事件的一轮发射。 在各个发射事件中，从点源可以发射M个重复的球形波。在实施方式中，发射 控制单元可将与球形波的发射相关联的发射数据存储在存储器205中。发射信 息，诸如换能器阵元的属性(包括间距)、以及频率、大小、脉冲长度等，也 可以被记录作为发射数据。发射数据可以关联于与各个重复发射关联的重复索 引m、发射事件索引n和/或换能器阵元索引i，所述换能器阵元索引i识别用作 点源发射阵元的换能器阵元的位置。
一旦球形波发射至感兴趣的区域中，则可以通过接收器208接收回波，可 以通过波束形成器210形成波束，且可以生成接收波束数据。在实施方式中， 接收波束数据可以关联于接收波束索引k，所述接收波束索引k指示接收波束的 在接收波束组中的位置。在实施方式中，发射数据可以被存储然后在波束形成 期间和/或之后被改变且生成为包括发射数据和接收波束数据两者的数据集。因 此，波束数据可以关联于发射事件索引n、重复索引m、和接收波束索引k。
在已经接收波束数据后，通过位置计算模块226执行操作1020以基于波束 数据计算感兴趣的区域内的多个位置，其中，每个位置包括与发射事件索引和 接收波束索引关联的多普勒角度。在实施方式中，位置计算模块226可通过首 先计算在发射事件中所用的点源和在发射事件中所形成的覆盖一位置的波束之 间的距离，来计算该位置的位置信息。位置计算模块226可基于与覆盖该位置 的波束关联的接收波束索引、线密度、换能器阵元的属性和对应于点源的点源 位置，计算该距离。在实施方式中，线密度可以被配置成多达4。
然后，在计算在发射事件中所用的点源和在发射事件中所形成的覆盖该位 置的波束之间的距离之后，位置计算模块226可以基于波束数据计算该位置的深 度。例如，根据声速和在发射事件中点源发射和沿着覆盖该位置的波束接收回 波之间的经过时间，可以计算该位置的深度，例如，深度＝(T/2)*c，其中，c 是假定的恒定的超声速度，T是从发射到沿着覆盖该位置的波束接收回波之间的 经过时间。位置计算模块226，基于几何形状，根据距离和深度还可以计算多普 勒角度。
一旦获得位置信息，则通过2D速度矢量检测模块222执行操作1030以处 理波束数据，从而得出速度，其中，各个速度关联于发射事件索引和接收波束 索引。在得出2D速度矢量的过程中，位于2D速度矢量检测模块222中的IQ 解调模块720可以首先解调波束数据以得到同相值和正交值。由于各个波束数 据关联于发射事件索引n、重复索引m、和接收波束索引n，因此各个同相值关 联于索引(n,k,m)，以及各个正交值关联于索引(n,k,m)。
同相值和正交值然后可以用在相位估计器730的相位计算器732中，以根 据同相值和正交值计算相移值，且将相移值关联于发射事件索引和接收波束索 引。相移值然后可以用在速度计算器734中以基于该相移值计算速度。因此， 速度关联于发射事件索引n和接收波束索引k。
然后，当操作1040通过2D速度矢量检测模块222执行以将速度分组时， 可以使用速度。该分组可以基于波束的位置。在实施方式中，基于发射事件索 引和接收波束索引，可以识别在所有的发射事件中覆盖位置的波束。当通过2D 速度矢量检测模块222对每个组执行操作1050，以根据多普勒角度和在组内的 速度计算表示2D血流速度的2D速度矢量的角度分量，且基于在组内的速度和 所计算的角度分量，计算2D速度矢量的振幅分量，与这样的波束关联的波束数 据可以被定位和使用。
尽管在本公开中已经提供多个实现方式，然而应该理解，在不脱离本公开 的范围的情况下，所公开的系统和方法可以以多种其他具体形式来实施。本发 明的实施例应该被视为说明性的而非限制性的，且意图不是限制到本文所给出 的细节。例如，各个阵元或部件可以在另一系统中被组合或集成，或者特定的 特征可以被省略或者不实施。方法步骤可以以与本文所呈现的次序不同的次序 来实施。
此外，在不脱离本公开的范围的情况下，在各个实施方式中被描述或示出 为独立的或单独的技术、系统、子系统和方法可以与其他系统、模块、技术或 方法组合或集成。示出或者讨论为彼此联接或直接联接或者连通的其他项目可 以通过一些接口、装置或中间部件来间接地联接或连通，不管是电联接、机械 联接或其他联接。在不脱离本文所公开的精神和范围的情况下，本领域的技术 人员可以确定且可以做出变化、替代和变型的其他示例。
尽管上述具体描述已经示出、描述和指出应用到各个实现方式的本公开的 基本新颖特征，然而，将理解，在不脱离本公开的意图的情况下，本领域的技 术人员可以做出所示出的系统的形式和细节上的各个省略和替代和变化。
尽管在一些优选实施方式和实施例的上下文中已经公开了该发明，然而本 领域的技术人员将理解，本发明将具体公开的实施方式延伸超出到本发明的其 他的替选实施方式和/或用途和其明显的变型和等同物。因此，意图是，本文所 公开的本发明的范围不应该由上文描述的特别公开的实施方式来限制，而是应 该仅通过所附的权利要求书的正确解读来确定。具体而言，材料和制造技术可 以被用在本领域技术人员熟悉的相关技术中。此外，提到单数的项目包括存在 多个呈现的相同项目的可能性。更具体地，如本文和所附的权利要求书中所用 的，单数形式“一个”、“和”、“所述”、“该”包括多个所指物，除非在 上下文中另有明确说明。还应该注意，权利要求书可以被撰写成排除任何可选 的阵元。因此，该声明旨在充当与权利要求的阵元的说明相关的这样的排他性 术语“唯一地”、“仅”等的使用、或者“负面的”限制的使用的前置基础。 除非本文另外说明，否则本文所用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域 的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。
出于清楚起见，本文的过程和方法已经结合特定的流程进行了说明，但是 应该理解，在不脱离本发明的精神的范围内，其他次序也是可行的，并且一些 次序可以并行执行。另外，步骤可以被细分或者组合。如本文所公开的，根据 本发明所写的软件可以以计算机可读介质的一些形式存在，例如，存储器或 CD-ROM、或者在网络上发送，以及通过处理器来执行。
本文所引用的所有参考文献以引用的方式并入本文。尽管上文在具体实施 方式方面已经描述了本发明，然而可以预期，本发明的变更和变型对于本领域 的技术人员来说无疑是明显的且可以在所附的权利要求书的范围和等同物内实 施。可以使用一个以上的计算机，例如，通过使用并联的多个计算机或者负载 共享属性或者在多个计算机中分配任务，使得总体来说，他们执行本文所识别 的部件的功能；即，他们代替单一的计算机。上文描述的各个功能可以通过在 单一的计算机或者在多个计算机上所分配的单一进程或多组进程来执行。这些 进程可以调用其他过程以处理特定的任务。单一的存储装置可以被使用，或者 多个存储装置可以用来代替单一的存储装置。本发明的实施方式应理解为示例 性的而非限制性的，且本发明不限于本文所给出的细节。因此，本发明的意图 在于，本公开和所附的权利要求书应该理解成覆盖所有的这样的如落在本发明 的实质精神和范围内的变更和变型。