用于反向波束成形的系统和方法

申请号 CN201410019458.1 申请日 2014-01-16 公开(公告)号 CN103919574B 公开(公告)日 2017-06-27
申请人 通用电气公司; 发明人 K.W.里格比;
摘要 本 发明 提供一种针对时延反向波束成形的系统和方法。一种方法包括:在时间上大体均匀地对连续时间单元 信号 集合 采样 以便形成采样单元信号集合;以及针对每个采样单元信号,将大体等时间间隔的一个或多个样本映射至对应于每个单元信号在连续时间波束和信号中的比重而非等时间间隔的一个或多个样本上。所述方法还包括形成在时间上大体均匀地从非均匀间隔的映射样本采样的波束和信号,所述非均匀间隔的映射样本对应于每个采样单元信号。
权利要求

1.一种波束成形方法,所述方法包括:
在时间上大体均匀地对连续时间单元信号集合采样以便形成采样单元信号集合;
针对每个采样单元信号,将整数样本时间的多个单元信号样本映射至非整数样本时间的多个波束和样本上,这对应于每个单元信号对连续波波束和信号的相应贡献;以及对从非整数样本时间的映射样本采样的波束和样本插值以得到所需的整数样本时间上的波束和样本;
其中,所述整数样本时间是指均匀间隔样本时间中的一个;所述非整数样本时间指不是采样时间间隔整数倍的样本时间。
2.如权利要求1所述的方法,其中通过从非整数样本时间的映射样本采样的波束和样本插值来形成所述波束和信号包括在一对或者多对非均匀间隔的样本之间线性插入零或多个样本。
3.如权利要求2所述的方法,其中形成所述波束和信号包括:与所述采样单元信号相比,对所述波束和信号进行过采样;将所述非均匀间隔的样本分配至最近过采样的位置;以及将所述过采样的波束和信号的采样速率减小至所需采样速率。
4.一种超声系统,所述超声系统包括:
包括一个或多个变换器的变换器阵列;
发射器,其配置用于将电气信号发射至所述变换器阵列;
接收器,其配置用于在所述一个或多个变换器检测到超声回波时接收由所述变换器阵列产生的电气信号;
发射器/接收器开关电路,其连接到所述变换器阵列上并配置用于开关所述发射器和所述接收器;
模数转换器,其配置用于从所述接收器接收对应于所述声波的模拟数据并将所述模拟数据转换成数字单元信号;以及
波束成形装置,所述波束成形装置配置用于接收并且处理所述数字单元信号以形成波束和信号,其中所述波束成形装置配置用于:在时间上大体均匀地对连续时间单元信号集合采样以便形成采样单元信号集合;针对每个采样单元信号,将整数样本时间的多个单元信号样本映射至非整数样本时间的多个波束和样本上,这对应于每个单元信号对连续时间波束和信号的相应贡献;对从非整数样本时间的映射样本采样的波束和样本插值以得到所需的整数样本时间上波束和样本;
其中,所述整数样本时间是指均匀间隔样本时间中的一个;所述非整数样本时间指不是采样时间间隔整数倍的样本时间。
5.如权利要求4所述的系统,其中所述波束成形装置配置用于:在一对或者多对非均匀间隔的样本之间线性插入零或多个样本,并从非采样的波束和信号中的非均匀间隔的值来形成所述波束和信号。
6.如权利要求4所述的系统,其包括处理器,其中所述处理器配置用于从所述波束成形装置接收所述波束和信号并处理来自各种发送事件的波束和信号以形成对应于图像的图像数据。
7.如权利要求6所述的系统,其包括扫描转换器,用以接收所述图像数据并将所述图像数据转换成几何校正像素数据。
8.如权利要求7所述的系统,其包括显示器处理器,所述显示器处理器配置用于从所述扫描转换器接收所述数字像素数据并对所述数字像素数据进行滤波和转换以产生模拟数据。
9.如权利要求8所述的系统,其进一步包括显示器,其中所述显示器处理器配置用于将对应于所述数字像素数据的所述模拟数据显示在所述显示器上。
10.如权利要求9所述的系统,其包括用户接口,所述用户接口配置用于接收一个或多个用户输入以使所述用户能够控制显示在所述显示器上的所述图像的一个或多个参数。
11.如权利要求4所述的系统,其包括远程连接模,所述远程连接模块连接至所述波束成形装置上并且配置用于将所述波束成形装置连接到外部网络上。
12.如权利要求4所述的系统,其包括连接到配置用于存储对应于所述超声回波的数据的成像数据库上的成像工作站。
13.如权利要求4所述的系统,其包括图像数据库,所述图像数据库连接到所述波束成形装置上并且配置用于能够将超声图像数据从所述图像数据库发送到与所述波束成形装置关联的存储器上。
14.一种波束成形装置,包括:
用于在时间上大体均匀地对连续时间单元信号集合采样以便形成采样单元信号集合的装置;
用于针对每个采样单元信号,将整数样本时间的多个单元信号样本映射至非整数样本时间的多个波束和样本上的装置,这对应于每个单元信号对连续时间波束和信号的相应贡献;以及
对从非整数样本时间的映射样本采样的波束和样本插值以得到所需的整数样本时间上波束和样本;
其中,所述整数样本时间是指均匀间隔样本时间中的一个;所述非整数样本时间指不是采样时间间隔整数倍的样本时间。
15.如权利要求14所述的装置,其中通过从非整数样本时间的映射样本采样的波束和样本插值来形成所述波束和信号包括在一对或者多对非均匀间隔的样本之间线性插入零或多个样本。
16.如权利要求15所述的装置,其中形成所述波束和信号包括:比起所述采样单元信号,对所述波束和信号过采样;将所述非均匀间隔的样本分配至最近过采样的位置;以及将所述过采样的波束和信号的采样速率减小至所需采样速率。
17.如权利要求14所述的装置,还包括:用于处理来自各种发射事件的波束和信号以便形成对应于图像的图像数据的装置。

说明书全文

用于反向波束成形的系统和方法

技术领域

[0001] 本说明书公开的本发明大体涉及成像系统以及方法,并且更具体地,涉及用于在超声成像系统中执行反向波束成型的系统和方法。

背景技术

[0002] 医疗诊断超声是采用声波来探测患者身体声学特性并且产生对应图像的成像模式。声波脉冲产生以及返回回波检测通常通过位于探针中的多个变换器来实现。通常,此类变换器会包括机电单元,所述机电单元能将电能转换成机械能以进行传输并将机械能转换回电能以实现接收目的。一些超声探针包括布置成单元线性阵列或二维矩阵形的多达数千的变换器。
[0003] 波束成形装置通常是与超声探针关联,以便组合来自每个变换器单元的信号,从而增强对从所需聚焦深度和方向接收到的声能的响应。在某些超声系统中,在时间上均匀地对波束成形装置的输入和输出两者、单元信号和波束和信号进行采样。在某些系统中,波束成形装置聚焦功能通过以下方式实现:针对每个波束和样本来计算每个单元信号中的对应时间,所述对应时间考虑到了声能从变换器发射、在所需焦点处从散射器反射并返回至此单元的传播时间。通常,聚焦功能所使用的这个传播时间将并不与所提供的均匀间隔开的单元样本中的一个对应。在一些传统波束成形装置中,聚焦时间上的值通过以下方式获得:插入可用均匀间隔开的单元样本,以便近似在聚焦时间上对单元信号采样时将会获得的值。
[0004] 这种插值可以在如常规专用集成电路(ASIC)的专用硬件中执行,或在如通用处理器(CPU或中央处理单元)或图形处理单元(GPU)的计算机处理器中执行。第一实现方案可以称作硬件波束成形装置,并且第二实现方案可以称作软件波束成形装置。
[0005] 在一些应用中,计算来自同一单元信号集合、即来自在单个发射事件中所获取的数据的一个以上波束和信号是有用的。这增加了最大图像显示速率,因为在所需二维扫描区域上或三维体积上形成图像所要求的传输发射(transmit firing)数量减少。在硬件波束成形装置中,在单元信号样本产生并且随后弃置时,通常顺序处理所述单元信号样本。形成多波束和通常要求针对每个波束和来复制插值硬件。就能和成本而言,这可能会成本较高,尤其是在每个发射事件需要许多(例如,约16至64)接收光束时所进行的体积成像过程中。
[0006] 在软件波束成形装置中,通常暂时将用于一个或多个传输发射的单元信号样本存储在存储器中,并且插值软件从存储器存取所要求的样本。在软件波形装置中,可计算的接收波束数量主要受到处理器可执行计算时的速率限制。在许多应用中,相比硬件波形装置,软件波形装置在功耗和成本方面具有显著优点。
[0007] 计算速度是由以下两者确定:处理器的原始速度、即在处理器中执行数学运算时的速率,以及存储带宽、即可从处理器中读出数据并将所述数据写入存储器中时的速率。存储带宽可为如软件波束成形的应用中的限制因素,其中仅仅少量数据运算需要在极大数量样本中的每个样本上执行。这在无法顺序寻址特定应用中的存储器时尤其如此,因为介于处理器与存储器之间的接口通常高度优化用于顺序存储存取。不幸地是,计算软件波束成形装置中的多波束和所用常规方法要求重复、非顺序存取存储在存储器中的数据,从而限制系统效率。

发明内容

[0008] 在一个实施例中,一种方法包括:在时间上大体均匀地对连续时间单元信号集合采样以便形成采样单元信号集合;以及针对每个采样单元信号,将大体等时间间隔的一个或多个样本映射至非等时间间隔的一个或多个样本上,这对应于每个单元信号对连续时间波束和信号的相应贡献。所述方法还包括了形成在时间上大体均匀地从对应于每个采样单元信号的非均匀间隔的映射样本采样的波束和信号。
[0009] 作为优选,形成所述波束和信号包括插入所述一个或多个非均匀间隔的样本。
[0010] 作为优选,通过非采样波束和信号中的非均匀间隔值来形成所述波束和信号包括在一对或者多对非均匀间隔的样本之间线性插入零或多个样本。
[0011] 作为优选,形成所述波束和信号包括:与所述采样单元信号相比,对所述波束和信号进行过采样;将所述非均匀间隔的样本分配至最近过采样的位置;以及将所述过采样的波束和信号的采样速率减小至所需采样速率。
[0012] 在另一实施例中,一种超声系统包括:具有一个或多个变换器的变换器阵列;发射器,其适于将电气信号发射至所述变换器阵列;接收器,其适于在所述一个或多个变换器检测到超声回波时接收由所述变换器阵列产生的电气信号;发射器/接收器开关电路,其连接到所述变换器阵列上并适于开关所述发射器和所述接收器;模数转换器,其适于从所述接收器接收对应于所述超声波的模拟数据并将所述模拟数据转换成数字单元信号。所述系统还包括了波束成形装置,所述波束成形装置适于接收并且处理所述数字单元信号以便使波束和信号形成。所述波束成形装置适于:在时间上大体均匀地对连续时间单元信号集合采样以便形成采样单元信号集合;针对每个采样单元信号,将大体等时间间隔的一个或多个样本映射至非等时间间隔的一个或多个样本上,这对应于每个单元信号对连续时间波束和信号的相应贡献;以及形成在时间上大体均匀地从对应于每个采样单元信号的非均匀间隔的映射样本采样的波束和信号。
[0013] 作为优选,波束成形装置配置用于通过插入所述一个或多个非均匀间隔的样本以形成所述波束和信号。
[0014] 作为优选,波束成形装置配置用于通过在一对或者多对非均匀间隔的样本之间线性插入零或多个样本而从非采样的波束和信号中的非均匀间隔的值来形成所述波束和信号。
[0015] 作为优选,包括处理器,处理器配置用于从所述波束成形装置接收所述波束和信号并处理来自各种发送事件的波束和信号以形成对应于图像的图像数据。
[0016] 作为优选,包括扫描转换器,用以接收所述图像数据并将所述图像数据转换成几何校正像素数据。
[0017] 作为优选,包括显示器处理器,所述显示器处理器配置用于从所述扫描转换器接收所述数字像素数据并对所述数字像素数据进行滤波和转换以产生模拟数据。
[0018] 作为优选,进一步包括显示器,其中所述显示器处理器配置用于将对应于所述数字像素数据的所述模拟数据显示在所述显示器上。
[0019] 作为优选,包括用户接口,所述用户接口配置用于接收一个或多个用户输入以使所述用户能够控制显示在所述显示器上的所述图像的一个或多个参数。
[0020] 作为优选,包括远程连接模,所述远程连接模块连接至所述波束成形装置上并且配置用于将所述波束成形装置连接到外部网络上。
[0021] 作为优选,包括连接到配置用于存储对应于所述超声回波的数据的成像数据库上的成像工作站。
[0022] 作为优选,包括图像数据库,所述图像数据库连接到所述波束成形装置上并且配置用于能够将超声图像数据从所述图像数据库发送到与所述波束成形装置关联的存储器上。
[0023] 在另一实施例中,一种计算机可读媒介对一个或多个可执行的例程进行编码所述可执行的例程在由处理器执行时致使所述处理器来执行行为,所述行为包括:在时间上大体均匀地对连续时间单元信号集合采样以便形成采样单元信号集合;针对每个采样单元信号,将大体等时间间隔的一个或多个样本映射至非等时间间隔的一个或多个样本上,这对应于每个单元信号对连续时间波束和信号的相应贡献;以及形成在时间上大体均匀地从对应于每个采样单元信号的非均匀间隔的映射样本采样的波束和信号。
[0024] 作为优选,形成所述波束和信号包括插入所述一个或多个非均匀间隔的样本。
[0025] 作为优选,通过非采样的波束和信号中的非均匀间隔的值来形成所述波束和信号包括在一对或者多对非均匀间隔的样本之间线性插入零或多个样本。
[0026] 作为优选,形成所述波束和信号包括:比起所述采样单元信号,对所述波束和信号过采样;将所述非均匀间隔的样本分配至最近过采样的位置;以及将所述过采样的波束和信号的采样速率减小至所需采样速率。
[0027] 作为优选,所述处理器进一步配置用于执行所述行为,包括处理来自各种发射事件的波束和信号以便形成对应于图像的图像数据。附图说明
[0028] 在参照附图阅读以下详细描述时,将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面及优点,在附图中,相似符号表示相似零件,其中:
[0029] 图1是根据本技术的超声系统的实施例的图解视图;
[0030] 图2是根据实施例的波束成形几何图形的图解视图;
[0031] 图3是示出波束成形技术实例的图解视图;
[0032] 图4是示出反向波束成形技术的实施例的图解视图;
[0033] 图5是示出反向波束成形方法的实施例的流程图
[0034] 图6是示出波束成形技术中的样本映射实例的图解视图;
[0035] 图7是示出反向波束成形技术中的样本映射的实施例的图解视图;
[0036] 图8是示出根据实施例的输出缓冲器中代表值的图;
[0037] 图9更详细地示出图8的图的一部分;
[0038] 图10是示出数字低通滤波器中的值的实施例的图,所述数字低通滤波器可以用于对存储在图8的输出缓冲器中的值进行滤波;以及
[0039] 图11是根据实施例的示出在通过低通滤波进行修改抽取之后存储在图8的输出缓冲器中的过采样的波束和信号的代表值的图。

具体实施方式

[0040] 波束成形中的延时函数通常描述并实现为从波束和信号中的均匀间隔输出样本时间至单元信号中的非均匀间隔的采样时间映射。由于所提供的输入样本在时间上均匀间隔,因此所需输入值是通过插值获得。然而,如在下文更详细地描述,本说明书提供涉及一种使此映射反向的新颖波束成形方法的系统和方法。更确切地,在所提供的实施例中,延时函数被重写以将单元信号中提供的均匀间输入样本时间映射至波束和信号中非均匀间隔的输出样本时间。在所提供的实施例中,所需均匀间隔输出样本值是通过插值而从非均匀至均匀采样时间栅格获得。在这种“反向波束成形”方法目前公开的实施例中,仅需存取每个单元样本一次,无论从给定单元样本集合计算的波束和信号的数量多少都是如此。上述特征可以例如在软件波束成形中是有利的,尤其是当使用同一单元样本集合计算大量的波束信号时,其中存储带宽可为限制因素。目前公开的反向波束成形方法和系统的这些和其他特征将在下文更详细地描述。
[0041] 现在转至附图,图1是根据本发明的实施例的超声系统的实施例的图解视图。所示超声系统10包括示例组件,其以适于数据获取和处理的方式连接。然而,所示实施例仅仅是示例,而不意在限制目前公开的实施例所所涵盖的形式、组件或数据流。实际来说,在其他实施例中,系统10的架构和模块可以包括各种硬件和软件组件。例如,系统可以包括硬件组件,如具有数字信号处理器的电路板。另外,系统10可以具有在多种媒介、存储装置或如个人计算机的硬件上可执行的计算机可读指令。
[0042] 在所示实施例中,压电变换器阵列18设有前面(front face)或声学透镜结构19,其适于接触对象16以便能够执行超声扫描而来分析对象16的内部特征。通常,同一变换器以脉冲-回波模式同时产生并且接收超声能量,但变换器上不同单元可在一些实施例中用于这些功能。
[0043] 变换器阵列18通过发射器/接收器开关电路22连接到发射器24和接收器26上。发射器/接收器开关电路22开关变换器阵列18与发射器24和接收器26之间的电气连接。在操作中,发射器24在必须将超声能量发射到对象16的身体中时连接到变换器阵列18上,并且接收器电路26在变换器阵列18从对象16的组织层接收回波信号时连接到变换器阵列18上。
[0044] 也就是说,所示变换器阵列18包括双向变换器。当将超声波发射到对象16上时,使超声波从对象16内的组织和血液反向散射(backscattered)。变换器阵列18中的变换器单元在不同时间上接收反向散射的波,具体是取决于进入其从中返回的组织中的深度以及相对其返回到的变换器阵列18的表面的度。变换器单元是响应反向散射的波并将来自反向散射的波的超声能量转换成电气信号。
[0045] 由变换器阵列18接收的电气信号通过发射器/接收器开关电路22路由到接收器26上。接收器26在适当增益补偿后放大所接收的信号,并且模数转换器(ADC)20将这些从每个变换器阵列单元接收的模拟信号转换成在时间上经均匀采样的数字化的信号,所述数字化的信号暂时存储在系统存储器33中。数字化的信号对应由每个变换单元在不同时间接收的反向散射的波。数字化后,信号仍会保留反向散射的波的幅度和相位信息。
[0046] 系统处理器32从系统存储器33检索单元信号并将其发射到波束成形装置存储器23。在一些实现方案中,系统处理器32可以修改单元信号,如将其转换成基带信号或对信号进行压缩。在其他实现方案中,在将信号存储在系统存储器33中之前,这些附加处理步骤可以在专用硬件中执行。
[0047] 波束成形装置处理器21从波束成形装置存储器23读出单元信号,执行如在下文更详细地描述出的波束成形步骤,产生波束和信号并将波束和信号写入波束成形装置存储器23。系统处理器32从波束成形装置存储器23读出波束和信号并处理源自各种发射事件的波束和信号以便成形图像,在给定的实施例中,如果需要,可将所述图像显示在显示器42上。
[0048] 在所示实施例中,波束成形处理在独立于系统处理器32的处理器(即,波束成形装置处理器21)中执行。然而,应当注意,在其他实施例中,波束成形处理可以在系统处理器32中执行,或在系统10任何合适的电路中执行。
[0049] 在所示实施例中,系统10还包括与系统处理器32通信连接的用户接口44以及显示单元42,以使用户能够与处理器32通信,例如,以便输入一个或多个所需成像或显示参数。在某些实施例中,系统处理器32也可连接到远程连接模块46上,所述远程连接模块具有网络服务器48和用于通过链路52将超声系统连接到网络上的远程连接接口50。系统处理器32可进一步连接到图像数据库54上以接收超声图像数据。转而,图像数据库54可与成像工作站56通信连接。
[0050] 图2是示出波束成形几何形状的示意图60。所需波束沿着矢量R定位,其源自于矢量x=0。单元位置是xe。等间隔的输出样本对应于沿着波束方向的等间隔的范围|R|,如在以下给出:
[0051] (1) icts=2|R(i)|,
[0052] 其中i是样本数量、整数值,c是声音传播速度,并且ts是采样时间间隔;对于声从原点到焦点R(i)并回原点的双向传播,要考虑到两个因素。对于xe处的单元,这些等间隔的输出样本对应非等间隔采样时间集合(1/c)[|R(i)|+|R(i)-xe|],所述非等间隔采样时间是声从原点传播到焦点R(i)并回xe处的单元所要求的时间。由于可用单元样本在时间上是等间隔的,因此所需单元样本值通常是通过插值获得。
[0053] 应当注意,为了简单起见,波束和在本说明书中描述为对应沿着定向在特定方向上(直)线定位的焦点集合。然而,应当了解,更通常地,通过正确选择聚焦功能,波束成形装置可以产生对应沿着曲线定位的焦点集合的波束和,并且目前公开的实施例并不限于其中波束和对应沿着直线定位的焦点集合的情况。
[0054] 本说明书提供的方法和技术使得这个过程反向,其方法是转而将特定单元信号的等间隔的样本替代映射至非等间隔输出样本集合并且在输出上执行插值:
[0055] (2) icts=|R|+|R-xe|.
[0056] 等式(2)可以求解R≡|R|:
[0057] (3) 
[0058] 限制条件则是:
[0059] (4) β≡2R/cts
[0060] g(|xe|)≡|xe|/cts
[0061]
[0062] 那么
[0063] (5) 
[0064] 其中β(i,g,h)是输出中的非整数样本数量,其对应于单元xe和波束方向 的信号中的整数样本数量i。本说明书所用术语“非整数的样本数量”表示通常并非是均匀间隔采样时间中的一个的时间。数量g是单元从原点开始的无量纲距离,并且h是单元位置矢量在波束方向上的投影,也采用无量纲单位。应当注意,在前述分析中,已经假定单元和波束和信号使以相同速率采样,但此假定仅是仅为了简单器件,并不意味限制当前公开的实施例。
[0065] 在i=h时,β的奇异性(singularity)是非物理的。通过等式(2),icts→|xe|/cts=gforR→0,这样i的最小相关值是非负数的g。通过等值(4),人们看出,当h是非负数时,它绝不会大于g。因此,在实践中,等式(5)中的分母将绝不会消失。更精确地,i的最小值是朝正无穷取整(g),最小整数并不小于g。必须同样避免特殊情况xe=0,但对这种情况而言,所需单元采样时间正好即为均匀间隔波束和样本时间。
[0066] 这些等式指导用于影响波束成形时延的典型聚焦等式的反转的目前公开的实施例。通过考虑图3和4中的示意图62和64即可更好理解这种反向波束成形,图3和4分别示出常规波束成形方法以及反向波束成形方法。更确切地,图3的示意图62包括时间轴66、用于波束和信号68的均匀间隔样本时间集合、用于单元信号70的均匀间隔样本时间集合以及聚焦延迟72。在所示实施例中,波束和样本时间集合68包括所需输出样本时间74,并且单元信号样本时间70包括输入样本时间76和78,在两者间定位有聚焦延迟线72。另外,图4的示意图64包括时间轴80、波束和信号样本时间集合82、单元信号样本时间集合84以及聚焦延迟线86和88。
[0067] 在图3中,对角线72表示相对聚焦延迟,其相对变换器阵列中心针对从波束和样本时间74的波束的原点开始的一些非零距离x处的单元进行计算。在图3的常规波束成形方法中,计算聚焦延迟72以给出输入信号(单元信号)中的非整数的样本时间,其对应于在输出信号(波束和信号)中的整数样本时间。本说明书所用术语“整数样本时间”是指均匀间隔样本时间中的一个,也就是说,其是样本时间间隔整数倍的样本时间。进一步地,本说明书所用术语“非整数的样本时间”是指通常不是采样时间间隔整数倍的样本时间。因此,在图3中,在非整数的样本时间90处,聚焦延迟线72穿过波束和样本74,而穿过单元样本76与78之间。在常规波束成形方法中,在所需样本时间90处单元信号的值通过在单元信号样本之间插值获得。此种插值针对变换器阵列12中的每个单元信号执行。
[0068] 在图4的示意图64所示反相波束成形方法中,聚焦延迟被转而计算用以给出输出信号(波束和)中的非整数的样本时间,其对应于输入信号(单元信号)中的整数样本时间。因此,在非整数的样本时间94处,对角线86所表示的聚焦延迟穿过单元样本76,但介于波束和样本98和96之间。类似地是,在非整数的样本92处,对角线88所表示的聚焦延迟穿过单元样本78,但介于波束和样本96和90之间。在整数样本时间上,波束和中所需的值通过在非整数的样本时间上插值而来进行计算。
[0069] 适于执行这种反向波束成形方法的方法100的实施例在图5中示出。如图所示,方法100包括在时间上大体均匀地对连续时间单元信号集合采样以便形成采样单元信号集合(块102)。另外,方法100要求针对每个采样单元信号将大体等时间间隔的一个或多个样本映射至非等时间间隔的一个或多个样本上,这对应于每个单元信号对连续时间波束和信号的相应贡献(块104)。所述方法还包括了形成在时间上大体均匀地从对应于每个采样单元信号的非均匀间隔的映射样本采样的波束和信号(块106),如参照图4在上文中详细描述。
[0070] 本说明书所提供的目前公开的反向波束成形系统和方法的实施例可以提供超过常规波束形成方法的多种优点。例如,在常规波束成形中,无论在硬件还是软件中执行,每个单元信号必须插值以便实现波束成形时延操作。然而,在目前公开的反向波束成形方法中,对波束和信号而非单元信号进行插值。在许多超声成像装置中,针对给定传输发射计算出的波束和信号的数量比单元信号的数量小很多。因此,在某些实施例中,通过利用所公开的反向波束成形方法,所需计算可能更少,从而减少了能力和资金花费。
[0071] 此外,在常规波束成形中,数字单元信号采样频率通常比奈奎斯特(Nyquist)采样频率大得多,以便减少插值硬件的成本和复杂程度,或者减少当在软件中执行插值时所需要的计算能力。奈奎斯特采样频率是在任何任意时间上从其采样的值重构信号所需要的理论最小采样率。ADC的成本和复杂程度通常醉着抽样速率而来增加,但通常会使用相对高的采样速率而来减小常规波束形成装置的总系统成本。然而,在目前公开的反向波束成形方法中,仅仅对波束和信号插值,因此,大量单元信号的采样速率可以减小,并且少量波束和信号的插值软件的复杂程度可能增加以便实现与传统波束形成装置大体相同的性而但系统成本更低。
[0072] 图6和7示出当在软件中执行波束成形时与目前公开的反向波束成形方法相关联的优点。更具体地,前述附图示出当在软件中实现波束成形时,利用目前公开的反向波束成形可能能够实现比在软件中实现常规波束成形更高效的存储器存取模型。具体来说,图6示出对应于常规波束成形方法的示意图110,并且示意图110具有时间轴112、波束和信号样本集合114、单元信号样本集合116以及针对在不同方向上转向的波束和信号集合来表示常规波束成形装置的聚焦延迟功能的线118、120、122和124。图7示出对应于反向波束成形方法的示意图126,并且示意图126具有时间轴128、波束和信号样本集合130、单元信号样本集合132以及针对在不同方向上转向的波束和信号集合来表示反向波束成形装置的聚焦延迟功能的线134、136、138和140表。但应注意,在常规波束成形装置中,如图6所示,聚焦延迟线
118、120、122和124全都穿过波束和样本142,而在图7反向波束成形装置中,聚焦延迟线
134、136、138和140全都穿过单元样本152。
[0073] 如在图6中描绘,常规波束成形装置实现方案通常在输出波束和样本上循环,从而使用每个波束和的聚焦函数将每个输出样本映射到每个变换器单元的输入样本相邻位置上。当波束成形装置计算从一个输出样本转至下一要输出样本时,对波束和信号的存储器存取是顺序的,但对单元样本的存储器存取并不是顺序的。例如,对于线性插值,要求一对划界单元样本,并且这对划界单元样本通常将对每个所需波束和信号是不同的。换句话说,针对对应于聚焦延迟118、120、122和124的不同波束和,每个输出样本、例如样本142通常映射到不同划界输入样本、例如样本144、146、148和150。
[0074] 然而,在图7的示意图126所示反向波束成形方法中,计算循环是在单元样本上进行,这样,无论计算出了多少波束和,对单元样本的存储器存取都是顺序的,而对输出样本的存储器存取不是顺序的。因此,在其中存在比波束和更多的单元的一些实施例中,针对反向波束成形方法中的存储器存期模型可以呈现一个或多个所需优点。此外,尽管常规方法(使用线性插值)针对每个输出波束和样本要求两个单元存储器存取,但在某些实施例中,可以实现反向波束成形装置,这样对于大多数的输出样本,它仅针对每个输出波束和样本来要求一个单元存储器存取(其中只有一个单一整数样本位于相邻非整数的样本之间、即只有一个整数位于β(i)与β(i+1)之间的情况)。
[0075] 如在上文详细描述,作为中间步骤,反向波束成形方法会对来自每个单元信号的波束和产生非均匀间隔的贡献。然而,通常更方便的是具有均匀间隔波束和样本以进行后续处理步骤,如过滤和扫描转换。上述技术描述一种用于将非均匀间隔的样本转换成均匀间隔样本的方法(即,插值)。然而,应当指出,目前公开的实施例并不限于使用插值。实际来说,可以使用用于将非均匀间隔的样本转换成均匀间隔样本的各种合适方法中的任何方法。例如,在下文更详细地描述出的一个实施例中,可以使用过采样(oversampling)方法来代替插值。但在其他实施例中,同样可以使用任何合适方法。
[0076] 通常,在一个合适的过采样实施例中,提供用于具有相对输入信号采样速率增加或更高的采样速率的波束和信号的输出缓冲器。在一个实施例中,采样速率可以是正常用于单元和波束和信号的采样速率的约20倍。例如,当以5MHz的中心频率成像时,50MHz的采样速率传统上可用于单元和波束和信号,因此,输出缓冲器将使用1GHz的采样速率。在一个实施例中,将输出缓冲器初始化为零,并且随后将每个非均匀间隔的单元样本添加到缓冲器中处于最近位置的对应于值β的值,以考虑到波束和中比单元信号更高的采样速率。例如,如果过采样的系数p为20,那么将会将样本添加到位置Round(p β)中的值,其中Round()操作返回到与其参数最接近的整数。一旦将针对给定报数方向的所有单元的所有时延样本添加到输出缓冲器上,那么对缓冲器进行低通滤波并抽取至所需输出采样速率。
[0077] 图8至11更详细地示出这些步骤。确切地说,图8示出输出缓冲器162的用于在已添加所有时延单元样本之后转向点状散射器的模拟接收波束的内容的一部分。图9示出图8所示图162的一部分164。如图所示,过采样的信号幅值围绕其局部平均值变化很大。图10示出低通滤波器166,其为具有约为接收脉冲响应长度额的宽度的近似高斯包络。另外,图11示出平滑信号168,其为低通滤波并抽取过采样的波束和信号的结果。在模拟实施例中,平滑信号结果密切接近从点状目标开始的理想波束成形。
[0078] 在一些实施例中,通过利用图8至11所示过采样方法来替代线性插值,即可避免线性插值中固有的不准确性。另外,在某些实施例中,当单元数量超过预定阈值时,利用过采样方法可能在计算机上更为有效,因为仅仅施加到单元样本的操作是Round(),这与其中必须计算两个相邻样本的加权和的线性插值相反。此外,必要低通滤波处理仅适用于通常具有远远少于单元信号集合的样本的波束和信号,以使计算复杂程度减少。然而,应当注意,所选用于在给定实现方案中将非均匀间隔的样本转换成均匀间隔样本的方法可以在不同实施例中有所不同,这取决于特定于实现方案的因素。实际来说,用于将非均匀间隔的样本转换成均匀间隔样本的任何所需方法都可使用,而不限于本说明书公开的那些。
[0079] 本说明书使用实例来公开本发明、包括最佳模式,同时也使所属领域中的任何技术人员都能够实施本发明、包括制造并使用任何装置或系统并且执行所涵盖的任何方法。本发明的专利保护范围由权利要求书限定,并且可以包括所属领域中的技术人员所想出的其他实例。如果此类其他实例具有的结构元素与权利要求书的字面意义相同,或者如果此类其他实例包括的等效结构元素与权利要求书的字面意义并无大体差别,那么此类其他实例也在权利要求书的范围内。
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