[发明专利]用于3D实时声谱成像的系统和方法

说明书

本发明涉及一种用于3D实时声谱成像的系统和方法，该系统包括一个超声波头，一个信号处理器和一个监视器，其中未知结构的数据采集速度仅仅受声波在物体内传播的物理特性限制。

在诊断用超声波的最简单应用中，一个超声波脉冲被发射到组织内，接着回波的传播时间被估计，以确定一个特定结构的深度和范围，在该特定结构上产生了反射。对于在诊断超声波中使用的传统设备，超声头被使用，超声头的大多数已知的设计包括一个线性排列的单个机械独立的压电器件。这些压电器件发射一系列脉冲到组织内，接着在一个固定的时间周期内连续地接收回波信号。然后同一压电器件充当接收机的角色以接收回波，接收的时间段由从最深反射区接收的最后的回波信号确定。在所描述的超声波系统中，一般地同一压电器件既被用作发射机也被用作接收机。在生成的图像中(叠加有大比例的噪声)特定的结构变得显而易见。在大多数情况下仅仅可以基于顾问医师的渊博的经验对它们作出准确的评价。

在过去，分辨率(横向的和轴向的)曾经是超声波设备的能力和品质的主要标准。分辨率通常是0.5mm(＝500μm)。

因此，由于所用技术的物理限制，“扫描脉冲技术”的发展终止了。基于现代计算机技术(硬件)和最新的信号处理方法(软件)，现今在图像质量上有可能获得轻微的改善。利用给病人吃的特殊对比介质能够获得图像质量另外的改善。然而，这些试剂经常对病人施加相当大的压力，因此它们的使用是有争议的。

在传统的3D超声波设备中，这种“经典的”扫描技术被用来对身体进行“层状”扫描，类似于计算机X射线断层术(CT)。基于与这些技术相联系的巨大的数据量，为“实时数据采集”设定了严厉的限制。通常，有关数量的扫描要求在0.3秒和2分钟之间没有遭受干扰病人的运动(在内部或者在外部)，也不允许或包含统计性的干扰，因此高度影响准确度。

在美国专利No.5601083中，一个为了提高分辨率，基于椭圆面反向投影的设备被描述。这个设备包括一个接收机阵列，其中每个接收机设备对应一个重建象素角。被接收机扫描的回波在一个幅度函数发生器中作为重建象素角的函数被加权。在下游的反向投影图像重建处理器中，一幅图像从加权的回波被重建和显示。

在声谱仪的最新发展中，三维表示已经倾向于成为主要的改善手段。三维图像正在被利用最近公开的方法从个别的图像中计算。在过去，这些方法的主要问题是计算这些图像要求的过多时间。现在，由于较快计算机的可用性，甚至多于30幅图像的较大的图像序列也可以在大约10-15秒时间内毫无问题地计算出来。然而，这绝不是实时显示，即，上边描述的缺点仍然存在。

任何三维超声波技术都是基于扫描许多位置准确定义的二维图像层，这些二维图像层的总和导致一个卷。一个特殊的超声波头，例如，包括一个电动机，在一个按钮被按的时候旋转内部阵列设备10°-95°，这取决于头的类型，如此获得许多相互间隔相同距离的剖视层。经过信号处理器和量化之后，扫描的回波在高容存储器中的正确位置上被保存为数字信号。取决于卷、头的类型和超声波设备的旋转速度，扫描时间在0.3秒和2分钟之间。然后所有的剖视层被从各个卷内的高容存储器的内容中计算和显示，三维图像要么在监视器上被显示为单独的图像，要么以旋转动画的方式被显示为图像序列。

在另一种方法中，卷数据从外部被采集。在这种情况下，超声波设备的运动与定位器联系在一起，超声波头也可以被手工移动。在这种情况下图像位置必须和图像数据一起被记录和保存。尽管标准的声头可以被使用，该系统是很不实用的并且采集数据需要很多的时间。由于各个二维图像之间的距离不相等的事实，剖视层可能重叠，从而造成劣质的显示。

两种方法的另一个缺点可以从以下事实看出：一般地，一方面，超声波头仅能在为该目的专门提供的设备上工作，因为否则位置的确定将丢失。另一方面，由于剖视层以序列的方式被扫描，得不到实时显示。对于心脏病扫描，在特定的条件下6～7秒后心脏的反应的显示简直是无用的。在许多情况下变化被立即扫描对于顾问医师是非常重要的。因此扫描的努力被集中在实时显示上。

本发明的任务是制造一个设备，实现实时的高图像质量、快速数据采集和3D显像。