用于估计介质中假设的波传播速度的方法和系统与流程

1.本发明涉及用于估计介质中假设的波传播速度的方法和系统，尤其是用于医疗成像的。具体地说，所述方法适于处理由换能器(transducer)设备扫描的介质的信号数据。例如，该方法可在例如超声系统的设备中使用。


背景技术：

2.已知将多个换能器元件或收发器(例如布置成阵列)用于通信、成像或扫描目的，例如在医学成像、雷达、声纳、地震学、无线通信、射电天文学、声学和生物医学领域。一个例子包括超声成像。
3.超声成像的目的在于估计介质的反射率。在常规超声成像方法中，可使用具有一组超声换能器元件的超声换能器设备(也称作超声探头)。在该方法中，使用一个或多个换能器，将一个或连续几个超声波束发射到介质中，这对应于一个发送操作。然后，在接收操作中，通过该组换能器元件，从介质接收一组反向散射回波信号。具体地说，每个换能器元件将接收到的回波信号转换成例如电信号。该信号可被超声系统进一步处理。例如，它们可被放大、数字滤波，和/或可实施信号调节操作。换能器元件可布置成换能器阵列。
4.常规地，然后将所述信号传输到图像处理系统。例如使用波束成形方法，可处理接收到的信号以生成所扫描的介质的图像数据。一般可将波束成形理解为常规地在用于定向信号发射或接收的传感器阵列中使用的信号处理技术。该过程用于生成波束成形数据。换句话说，波束成形可理解为一种信号处理技术，它是通过组合天线阵列(例如超声换能器)中的各个元件以使得组合信号形成相长干涉(constructive interference)。
5.对接收到的信号的处理经常包括假设介质中波的传播速度。介质的波传播速度不均匀性和波传播速度的不准确估计可能会导致散焦和增加杂乱。
6.传统地，可使用波的假设传播速度的预定数值，其例如取决于所考虑的介质。例如，某个预定值可用于土壤，更具体地说用于不同的砾石或岩石，或用于人体的特定器官、特定种类的人体组织；或使用不同的特定数值分别用于肌肉和脂肪。
7.或者，可通过处理从介质接收的信号，确定介质的波传播速度。
8.napolitano等人在他们的文献“sound speed correction in ultrasound imaging”,ultrasonics 44(2006)e43
–
e46中说明了一种通过使用各个实验声速重构的图像，分析信道数据中的单b模式帧中的空间频率内容，确定产生最佳整体横向图像质量的声速算法。作者发现由他们的算法产生的指标与观察到的最佳横向图像质量有很好的相关性。该方法要求通过波束成形所接收到的信号数据，对于不同的实验声速，重构b模式图像。速度的确定是基于不同的b模式图像。
9.imbault等人在他们的文献“robust sound speed estimation for ultrasound-based hepatic steatosis assessment”,physics in medicine&biology 62(2017)3582中说明了一种基于评估局部散斑噪音的空间-时间特性的声速估计方法。在此，评估由不同换能器接收的反向散射回波之间的交叉关联，并通过优化反向散射散斑噪音的空间相关
性，估计声速。
10.上述两种方法都依赖于复杂的数学运算，众多迭代，和在一些情况下，波束成形的信号数据。
11.常规地，评估介质中波假设的传播速度可能会是计算密集型任务，这可能会限制它在实时成像时的应用。
12.本公开的申请人提交的ep 3 632 330 a1公开了一种使用超声成像系统，确定介质的目标区域中的目标声速的方法。该方法包括以下步骤：确定界面在介质中的位置，确定界面上方的中间区域的第一声速，以及基于至少一些感应信号并考虑到界面的位置和第一声速，确定界面下方的目标区域内的目标声速。


技术实现要素：

13.目前，仍期望克服上述问题，尤其是提供有利地更快、更可靠、更具鲁棒性、计算成本更低，由此会要求更少的处理功率并满足实时限制的估计介质中假设的波传播速度的方法和系统。
14.因此，提供一种估计介质中假设的波传播速度的方法。该介质与空间-时间信号数据相关联，并且该方法包括：基于空间-时间信号数据的相位特性，估计(e)假设的波传播速度。
15.可以基于理论模型和/或测量数据和/或先验临床知识数据，例如一个或多个查询表，预先确定/预先选择假设的波传播速度。假设的波传播速度可例如具有处于预定义的速度范围内的数值。所述预定义的速度范围可取决于介质的特性，例如介质的类型。假设的波传播速度可以是实际的波传播速度的假设和/或备选速度。术语“实际的波传播速度”是指波在介质中的物理传播速度，即波经过介质传播的速度。实际的波传播速度可能会取决于波的类型和波的特性，例如波频率。术语“实际的波传播速度”可指具有相同的类型和/或相同的特性的波的物理传播速度，例如为了生成空间-时间信号数据而发射到介质中和/或从介质接收的那些波。
16.波可以是声波，例如超声波。空间-时间信号数据可以是预波束成形的空间-时间信号数据。
17.术语“介质中的波传播速度”可以指在介质的子部分(例如关注区域roi)中的波传播速度，和/或对于介质的平均波传播。波传播速度可以指整体的波传播速度。波传播速度可以指介质的具体部分，例如病变组织，例如肿瘤组织。
18.在波是例如超声波或其它类型的声波的情况下，术语“波传播速度”可理解为包括术语“声速”。除非另外说明，在整个本公开中可同义地使用“波传播速度”和“声速”这些术语。
19.假设的波传播速度可基于介质预先确定和/或预先选择，例如基于介质的具体特性和/或基于介质的类型，例如待考虑的人体组织或预定人体器官。假设的波传播速度可以是对实际的波传播速度的假设。假设的波传播速度是指并可理解为对波传播速度的假设。除非另外说明，在整个本公开中可同义地使用“速度假设”和“假设的速度”这些词。
20.估计假设的波传播速度可包括确定假设的波传播速度的定量和/或定性测量，这可涉及假设的波传播速度与介质中的实际的波传播速度之间的对应关系。该定量和/或定
性测量也可称作品质因数。定量和/或定性测量和/或品质因数可允许比较不同的假设的传播速度(或传播速度假设)，以估计(或评估)它们，例如通过比较对应于不同的假设的波传播速度的各自的测量和或各自的品质因数。可基于和/或通过相互比较来自多个空间-时间信号数据的个体信号的相位特性(phase properties)，实现基于相位特性的估计(或评估)。
21.估计(e)假设的波传播速度的操作可基于信号读取位置和/或信号接收位置。可在多个位置处读取和/或接收空间-时间信号数据。更具体地说，空间-时间信号数据可包括信号读取位置和/或信号接收位置。信号读取位置和/或信号接收位置可位于介质中和/或介质上，例如介质的表面上。
22.空间-时间信号数据可包括空间和时间信息，尤其是信号(空间-时间)信息。
23.可提供不依赖于振幅的估计假设的波传播速度的方法。本公开的实施例有利地无需成本高昂的计算操作，例如波束成形数据，或计算相关函数。相反地，根据本公开的实施例，能够基于相位特性估计假设的波传播速度，而无需复杂的数据处理，并且可选地，不涉及振幅数据和/或依赖于振幅的数据。相应地，该估计有利地更快、更可靠，更具有鲁棒性、计算成本更低，由此只需更少的处理功率。由于增大的鲁棒性，可由此获得减小的变化和由此增大的可再现性。
24.本公开还能够例如获得更高的图像质量，并给终端用户提供更可靠的输入，例如当使用所述方法来估计实际的波传播速度时。当涉及本公开的医疗用途时，本公开可获得更好的医疗检查。
25.更准确地估计的实际的波传播速度还能够获得更好的量化。介质中的波传播速度可具有临床意义。例如，脂肪更多的组织具有较低的波传播速度。相应地，较低的波传播速度可指示脂肪肝变性中的脂肪肝疾病。所估计的速度还可用于成像以外的其它目的，例如用于根据所估计的速度来分析组织。所估计的速度和/或所估算的实际的波传播速度可用作例如生物标记(biomarker)。
26.由此，更准确的假设的波传播速度通常能够构建具有更高质量，例如更高的空间分辨率和/或更高的对比度/信噪比的图像。
27.空间-时间信号数据可以是或可包括预波束成形的空间-时间信号数据和/或射频(rf)数据。预波束成形的数据(pre-beamformed data)可以是还没有经过波束成形处理的数据和/或在估计假设的波传播速度之后才会经过波束成形处理的数据。所述方法可在估计假设的波传播速度的操作(e)之后，包括波束成形。预波束成形的数据可指未处理的数据和/或测量数据和/或原始数据。
28.空间-时间信号数据可包括从介质接收的多个振荡和/或周期性信号，和/或多个振荡信号的部分。空间-时间信号数据可以是多信道数据，其中，每个信道包括一个信号。空间-时间信号数据和/或多个振荡和/或周期性信号中的每个信号可包括至少一个振荡信号分量。
29.多个振荡信号的部分可以是时间部分，例如满足一定时间条件的信号数据和/或各个信号的一个或多个时间实例。可例如基于假设的波传播速度选择时间部分。
30.空间-时间信号数据可以预先记录，例如，空间-时间信号数据的记录可在更早的时间之前发生。空间-时间信号数据的记录可在不同位置发生，例如在医院，而空间-时间信
号数据可在另一位置处实施的操作中使用，例如在位于数据中心中的计算设备中、云环境中，和/或不同的城市中。空间-时间信号数据的记录可以无需包括在所述方法中。空间-时间信号数据的记录也可包括在所述方法中。本公开的示例可提供信号后期处理技术。
31.相位特性(phase properties)可包括任何类型的相位特性。相位特性尤其可包括以下中的至少一项：符号、相位、符号比例、相位区间、相位演变状态的比例、相位演变状态，和相位特性的比例。
[0032]“符号”可指信号部分(例如信号的一个或多个时间实例)是正的还是负的。信号的部分可以是信号的一个或多个时间实例。换句话说，“符号”可以是为“正”或“负”的二元值。术语“信号部分”(signal section)可理解为信号分量(signal fraction)。
[0033]
术语“符号比例”可以指多个信号中的符号属于同一类别(例如满足同一标准，例如为正或负，递增(上升)或递减(下降)，和/或其组合)的信号的比例。术语“相位区间”可以指多个信号的处于指定相位区间(例如0
°
至180
°
，或0
°
至90
°
，或0
°
至45
°
)内的相位。多个信号可源自例如不同信号源(例如源自不同的换能器元件)。在仅两个类别(例如正符号和负符号)的情况下，术语“比例”可以指较高的比例。在多于两个条件标准的情况下，术语“比例”可以指类别分布的最高比例。品质因数可以是类别分布的函数。在其它示例中，术语“比例”还可以指各个比例中最低的比例。以下说明假设选择最高的比例作为“所述”比例。然而，可相反地使用最低的比例。在这样的情况下，如对于本领域技术人员明显的，在适当处，“最高的比例”应被“最低的比例”代替。
[0034]
例如，可以基于空间-时间信号数据的导数来定义相位演变状态，例如作为时间的函数。例如，相位演变状态可表示相位特性，如对应于“递增信号”(例如，相位在0
°
至90
°
之间或270
°
至360
°
之间的正弦波)、“递减信号”(例如相位字90
°
至270
°
之间的正弦波)、“正符号递增”(例如相位在0
°
至90
°
之间的正弦波)、“负符号递增”(例如相位在270
°
至360
°
之间的正弦波)、“正符号递减”(例如相位在90
°
至180
°
之间的正弦波)、“负符号递减”(例如相位在180
°
至270
°
之间的正弦波)、“正符号”(例如相位在0
°
至180
°
之间的正弦波)、“负符号”(例如相位在180
°
至360
°
之间的正弦波)、“最小信号变化”(例如相位在90
°
附近或270
°
附近的正弦波)、“最大信号变化”(例如相位在180
°
附近或0
°
/360
°
附近的正弦波)的相位，以及对于本领域技术人员明显的各种其它类型的相位，例如上述类别的组合或表示所选择的相位区间的类别(例如，信号在x
°
至y
°
之间的正弦波，其中，可适当地选择x和y)。相位演变状态可预先定义。
[0035]
使用相位特性，例如符号比例，意味着提供了依据信号的一个时间实例的信息来估计假设的波传播速度的方法的这一优点。例如，信号的一个时间实例足以确定信号的符号是正还是负。由此，与其它对信号的一个时间实例的信息认知不够充分的方法相比，本公开的示例可提供更具鲁棒性的估计介质中假设的波传播速度的方法。
[0036]
使用演变状态可有利地允许对相位特性更精细地分类。这可允许提供更精确的估计假设的波传播速度和/或估算实际的波传播速度的方法。使用演变状态可能会要求知悉各个序列的信号数据，例如时间序列，以便例如确定各个序列是否递增和/或递减。这样的方法可能会是更加复杂和/或鲁棒性更低的。根据示例，宽泛的类别(例如符号特性)和更精细的类别(例如相位演变状态)可组合地和/或顺序(相继)使用。例如，可在一个或多个第一迭代中使用宽泛的类别，例如符号比例，并可在之后的迭代中使用更精细的类别，例如相位
演变状态的比例和/或相位演变状态。不同相位特性的组合由本领域技术人员自行裁量，可提供(可选地同时地)具有鲁棒性、有效、成本低、快速，和/或精确的方法。
[0037]
所述方法可以还包括：
[0038]
基于相位特性，确定(d)假设的波传播速度(即速度假设)的品质因数。估计(e)假设的波传播速度可基于该品质因数。
[0039]
通过使用预定的函数g确定(d)品质因数，函数g是以下中的至少一项：围绕轴x＝50％对称，在x＝50％时最大、且在x＝0％和x＝100％时最小，或在x＝50％时最小、且在x＝0％和x＝100％时最大的函数g(x)、钟形函数、正态分布函数、负香农熵函数(或更具一般性地，就是香农熵)。
[0040]
如果所有相位特性均属于某个类别，或者没有任何相位特性属于某个类别，例如要么所有符号都是正的，要么所有符号都不是正的(例如为负的)，这样的函数g将提供最高的品质因数。品质因数可指相位特性的纯度，例如符号的纯度，例如如果所有符号属于某个类别则它是最大值。品质因数可基于类别分布。例如，品质因数可以是类别分布的负香农熵。当类别分布集中在一个单一的类别上时，可最大化品质因数。
[0041]
相位特性，例如符号比例或相位特性比例，可例如用作品质因数。可简单地通过确定所述相位特性，实施基于相位特性确定(d)品质因数的操作。基于相位特性确定(d)品质因数可涉及基于相位特性的其它操作，例如计算。
[0042]
如上所述，品质因数可例如是假设速度的定量和/或定性的测量，该测量可涉及假设的波传播速度与介质中实际的波传播速度之间的对应关系。品质因数也可称作估计(评估)值。品质因数可允许比较不同的假设的传播速度(或传播速度假设)，以评估它们。品质因数可例如是相位特性的熵，例如更具体地说，负香农熵，例如符号比例的熵，例如正符号和/或负符号的比值和/或比例的熵。
[0043]
可在基于空间-时间信号数据的相位特性估计(e)假设的波传播速度的操作之前，实施使用预定函数g确定(d)空间-时间信号数据的品质因数的操作。
[0044]
空间-时间信号数据可以与介质中的预定空间区域相关联。例如，空间-时间信号数据可以与介质中的预先选择的空间区域关联。空间区域可对应于与介质对应的波束成形图像数据中的一个像素和/或多个像素。预先选择的区域可例如构成介质中的反射体。空间-时间信号数据可与介质中的预定空间区域关联，以使得空间-时间信号数据包括空间-时间信号数据的部分，例如时间部分。
[0045]
所述方法可以还包括：根据介质中的预定空间区域和假设的波传播速度，确定(c)空间-时间信号数据的子集。可基于假设的波传播速度确定该子集。假设的波传播速度可以基于该子集来估计，例如，可通过仅考虑各个子集的空间-时间信号数据来估计假设的波传播速度。可在估计(e)假设的波传播速度和/或确定(d)空间-时间信号数据的品质因数的操作之前，实施确定(c)空间-时间信号数据的子集的操作。
[0046]
子集可包括振荡信号的(多个)部分。所述(多个)部分是根据空间区域和/或假设的波传播速度相对于彼此地被选择，可选地与信号接收位置和/信号读取位置相关。选择所述部分可包括在时间上移动(移位)这些部分和/或延迟这些部分。取决于所选择的空间区域，所述部分可相对于彼此地移动(移位)和/或延迟。所述部分可计算地延迟和/或移动(移位)。所述部分可自适应地延迟。除非另有说明，“移动(移位)”和“延迟”这些词可在整个本
公开中同义地使用。
[0047]
因此，空间-时间信号的相位特性可以相互关联。可对于所选择的空间区域，沿着每个相应地延迟的波前，确定相位特性。
[0048]
例如，可根据时间间隔，延迟多个信号中的不同信号的时间部分，所述时间间隔根据空间区域和/或假设的波传播速度和/或信号读取位置和/或信号接收位置来选择，例如基于来自某一空间区域的信号在各个不同信号读取位置之间假设的传播时间差。在这样的情况下，在多个振荡信号中移动一个或多个之后，各个信号部分的时间间隔可相互对应。替代地或附加地，多个振荡信号中各个信号的时间部分可选择为：使得多个振荡信号中各个信号的时间间隔，根据空间区域和/或假设的波传播速度和/或信号读取位置和/或信号接收位置，相对于彼此在时间上移动(移位)，例如基于各个信号读取位置之间的、对应于假设的波传播速度的传播时间差。替代地或附加地，时间部分可根据空间区域与各个信号读取位置之间的各自距离和/或根据各个信号的读取位置和/或各个信号的接收位置来选择。例如，与空间区域具有相同距离、例如相同的脉冲-回波距离的信号，可不相对于彼此延迟，和/或各个时间间隔的时间戳可相互对应。确定空间-时间信号数据的子集的操作(c)可基于接收空间-时间信号数据的多个换能器元件，例如换能器阵列的几何形状。
[0049]
可对于多个子集，并行或串行地迭代所述方法，每个子集与介质中的不同空间区域相关联，并且可基于多个子集的品质因数，例如基于对各个品质因数取平均值和/或组合各个品质因数，估计假设的波传播速度。可对于介质中的多个(优选地，预定的)空间区域，并行或串行地迭代所述方法，并且可基于各个对应子集的品质因数，例如基于对各个品质因数取平均值和/或组合各个品质因数，估计假设的波传播速度。
[0050]
可对于介质中的多个空间区域，并行或串行地重复实施所述方法，和/或对于介质中的多个空间区域，并行或串行地重复操作(c)和(d)。所述方法可包括：对各个品质因数取平均值和/或组合各个品质因数。
[0051]
可基于所选择的品质因数满足一定标准(例如高于预定阈值)的子集的品质因数，估计假设的波传播速度，和/或可基于加权的品质因数，估计假设的波传播速度，可例如根据各个品质因数来加权和/或根据预定加权函数来加权。在每次迭代中可调整和/或可以不调整标准，例如阈值。阈值可例如应用于每次迭代中或仅应用于某些迭代中。
[0052]
例如，对于不相关的信号，可期望相位特性的均匀分布，例如信号中的50％表现为正符号而信号中的50％表现为负符号。在具有不大的或不具有反射性的空间区域的情况下，接收到的信号可能大多是不相关的，例如是噪音。与具有不大的或不具有反射性的空间区域相关联的信号的相位特性可能不会良好地适于估计介质中假设的波传播速度。仅考虑品质因数高于一定阈值的子集能够有利地仅考虑“有意义”的子集，并可由此改善假设的波传播速度的估计质量和减小计算量并缩短对应的计算操作的时长。
[0053]
可对于多个不同的假设的波传播速度，实施所述方法。该方法可以可选地包括：可选地基于具有最高品质因数和/或最佳品质因数和/或假设的波传播速度的最佳估计的假设的波传播速度，估算(g)介质中实际的波传播速度。如果估计(e)假设的波传播速度的操作所基于的相位特性是例如作为品质因数的符号比例，所述方法可包括：基于具有最高的符号比例的假设的波传播速度，估计介质中实际的波传播速度。所述方法可以还包括：基于具有最低的符号比例的假设的波传播速度，估计介质中实际的波传播速度。可在操作(c)、
(d)和(e)之后，实施估算(g)实际的波传播速度的操作。
[0054]
多个假设的波传播速度中的每个可基于理论模型和/或测量数据来假设。假设的波传播速度可基于介质，例如基于介质的具体特性和/或基于介质的类型，例如人体器官或人体组织来假设。多个假设的波传播速度可根据嵌套区间选择。多个假设的波传播速度可选自预定速度范围。
[0055]
所述方法可包括：可选地根据品质因数，调节(f)假设的传播速度，和/或可选地以使得品质因数增高地迭代所述方法。品质因数可例如无需在每一次迭代中增高，但可例如整体地经过多次迭代后增高。各个品质因数可用作对于调节(f)的指引。所述方法可在每次迭代中包括经过调节的波传播速度。可在操作(c)、(d)、(e)之后，并在实施操作(g)之前，实施调节(f)假设的传播速度的操作。
[0056]
所述方法可包括仅一次的操作(f)和/或所述方法可仅迭代一次。所述方法可包括多于一次的操作(f)和/或所述方法可迭代多于一次。在迭代后可精细化多个假设的速度，并可在之后迭代所述方法。
[0057]
可选地或附加地，操作(f)能够减小实际的波传播速度与假设的波传播速度之间的差值。在操作(f)期间，可使用已知的优化算法，例如levenberg-marquardt算法和/或gauss-newton算法。可根据嵌套区间(nested intervals)，调节假设的波传播速度。可根据预定速度范围，调节假设的波传播速度。
[0058]
可根据之前确定的品质因数，调节波传播速度，可选地以便优化速度假设和/或假设的波传播速度，例如通过减小假设的波传播速度与实际的波传播速度之间的差值。
[0059]
估计(e)假设的波传播速度可包括将品质因数与预定阈值比较。可迭代所述方法，直至品质因数高于预定阈值和/或满足一定阈值。所述方法可包括基于具有最高品质因数和/或最佳品质因数的假设的波传播速度和/或经过调节的假设的波传播速度，估算(g)介质中实际的波传播速度。
[0060]
如果在估计(e)假设的波传播速度一次之后，品质因数已经高于预定阈值，可基于假设的波传播速度，估计实际的波传播速度，而无需进一步的迭代，即基于单个假设的波传播速度。
[0061]
可对于多个空间区域实施可选地包括操作(f)的方法，并可获得可选地对应于多个空间区域的，多个经过调节的假设的波传播速度。估计实际的波传播速度可基于多个经过调节的假设的波传播速度。例如，可选地用权重，可对多个经过调节的假设的波传播速度取平均值，可选地通过例如对于各自品质因数的阈值(例如预定阈值)，排除经过调节的假设的波传播速度中的一个或多个，和/或排除异常值和/或品质因数为异常值的经过调节的假设的波传播速度。
[0062]
多个信号可以由分别的多个换能器元件接收。
[0063]
可选地，在确定(c)子集和/或确定(d)品质因数之前，所述方法可包括：将脉冲发射(a)到介质中和/或作为响应地从介质接收(b)多个信号。
[0064]
脉冲可以是超声脉冲。多个信号可以是多个超声信号。
[0065]
本公开可包括基于估计多个假设的波传播速度的方法，来估计介质中的波传播速度的方法。
[0066]
本公开可涉及一种计算机程序，其包括计算机可读指令，当被数据处理系统执行
时，所述计算机可读指令使得数据处理系统执行根据本公开的任何示例的方法。
[0067]
本公开可涉及一种估计介质中假设的波传播速度的系统。介质可以与空间-时间信号数据相关联。系统可包括配置为基于空间-时间信号数据，和/或基于空间-时间信号数据的相位特性，估计假设的波传播速度的处理单元。该系统还可配置为实施上述方法特征或操作中的任一个。
[0068]
除非另有矛盾，上述元素和本说明书中的元素旨在可以组合。
[0069]
要理解的是，上文的一般性说明和下文的详细说明两者都仅是示例性和解释性的，是为了示意的目的提供的，不限制所要求保护的本公开。
[0070]
包含在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图，与本说明书一起图示了本公开的示例，并且用于支持和图示其原理。
附图说明
[0071]
图1示出根据本公开的示例的超声系统的示意图；和
[0072]
图2示出根据本公开的估计介质中假设的波传播速度的方法的流程图，该方法可在图1的系统中实施；
[0073]
图3示出基于相位特性估计假设的波传播速度的第一示例，它可例如在图1的系统中/或根据图2的方法实施；
[0074]
图4示出根据本公开的一个示例的，根据多个假设的波传播速度确定的品质因数(或灵敏值，figures of merit)；以及
[0075]
图5示出根据本公开的示例可使用的多个不同相位特性。
具体实施方式
[0076]
现在将详细地参照在附图中示出的本公开的示例。在所有附图中，只要可行，就用相同的附图标记来指示相同或相似部件。图1所示的系统100适用于估计介质10(例如有生命的组织，尤其是例如专业运动员和/或患者的人的具体人体组织)中假设的波传播速度。该系统可包括例如：
[0077]
·
多个换能器元件21。这些换能器元件可配置为将脉冲发射(a)到介质中，和/或接收(b)来自该介质的多个信号，以可选地响应于将脉冲发射(a)到介质中。可使用包括多个换能器元件21的换能器阵列。例如，如在常见探头中已知的，可设置线性阵列20，其通常包括沿着x轴(水平或阵列方向x)并列布置的数十个(例如100至300个)换能器元件。在该示例中，阵列20适用于实施对介质10的二维(2d)成像，但阵列20也可是适于实施对介质10的3d成像的二维阵列。换能器阵列20也可是包括沿着曲线排列的多个换能器元件的凸出阵列。同一个(或多个)换能器元件可用于发射脉冲和接收响应，或不同的换能器元件用于发射和接收。可存在一个或多个发射换能器元件和多个接收换能器元件。在另一替代方案中，可仅使用一个换能器元件，它接收多个具有不同空间特性(例如来自不同空间区域)的信号。换能器元件可例如是能够电子地或物理地移动的；
[0078]
·
控制换能器阵列和获取来自换能器阵列的信号的电子设备舱30。
[0079]
该系统可以还包括微型计算机(未示出)，其用于控制电子设备舱30和/或例如将数据发送给服务器、人工智能(ai)实体、专用工作站，展示数据，显示/查看由电子设备舱获
得的图像(在一个变型中，单个电子设备可实现电子设备舱30和微型计算机的所有功能)。
[0080]
换能器元件21可包括压电晶体(piezo-crystals)和/或其它元件，其可配置为生成和/或记录和/或接收信号。除非另有说明，在整个本公开中，“换能器”和“换能器元件”这些词可同义使用。
[0081]
换能器元件21可配置为生成和/或记录和/或接收信号，可选地超声信号。换能器元件21和/或电子设备舱30和/或微型计算机可配置为确定空间-时间信号数据(spatio-temporal signal data)的相位特性。
[0082]
图1中的z轴是垂直于x轴的轴，例如在所检查的介质的深度方向上。该方向在本文献中称作竖直或轴向方向。
[0083]
介质10可包括空间区域40。空间区域40可以是预定的和/或可在根据本公开的示例的方法操作期间选择。介质10可包括多个空间区域40。
[0084]
介质10可以可选地包括一个或多个关注区域42。空间区域40可选地可仅包括在一个或多个关注区域42中。空间区域40可位于介质中的的各个位置处，不一定限于特定关注区域42。整个介质或介质的一部分可以是关注区域42。例如，只有对应于介质的波束成形图像数据中的区域和/或对应于整个波束成形图像数据的区域才是关注区域42。例如，在肿瘤的情况下，最关注的可能会是在假定的肿瘤区域中估计假设的波传播速度，而对其余组织可能不大关注。
[0085]
在此公开的系统是用于超声成像的设备，换能器元件是超声换能器元件，所实施的方法基于空间-时间信号数据的相位特性，估计介质10中假设的波传播速度。介质10与空间-时间信号数据相关联。可选地，该方法能够生成介质10的和/或介质10的空间区域40的超声图像，和/或能够将数据发送到专用服务器或工作站。
[0086]
然而，该系统可以是使用不同于超声波的其它波(例如波长不同于超声波波长的波和/或不是声波的波)的任何成像或传感器设备，换能器元件和电子设备舱构件和相关元件根据所述波适配。
[0087]
图2示出根据本公开的估计介质中假设的波传播速度的方法的示意图。该方法可在图1的系统中实施。
[0088]
该方法可包括可选的将脉冲发射(a)到介质中的操作。例如，该发射操作可包括使用聚焦于某一点的柱形波和/或不同角度的平面波对介质进行声透射(insonification)。更具体地说，在该发射操作期间，可将多个超声波发射到空间区域40中。
[0089]
在本公开中，脉冲一般可对应于由换能器元件发射的声和/或电信号。脉冲可例如由以下至少一项来定义：脉冲持续时间(脉冲时长)、所产生的波的频率、给定频率下的周期数、脉冲的极性等等。波可对应于由一个或多个换能器元件(即由分别发射的脉冲)生成的波前(或波面，wavefront)。可通过不同的所用换能器元件之间的发射延迟来控制波。示例包括平面波、聚焦波，和发散波。波束可对应于被波声透射的物理区域(例如在介质中)。由此，波束可与波相关，但具备较少或不具备时间概念。例如，当聚焦波束的景深(depth of field)受到关注时，它可被称为波束。
[0090]
在可选的操作(b)中，多个信号可由多个20换能器元件21从介质(可选地作为响应)接收。所述多个信号可包括操作(a)发射的反向散射回波。响应序列也可被称为空间-时间数据和/或信号数据，尤其是超声信号数据和/或rf和/或iq信号数据。信号数据可以是时
间域的，尤其是空间-时间域的，例如在下文中更详细地描述的。在一个示例中，响应序列可由带通滤波来处理，以仅保留一个或多个频率范围。
[0091]
要指出的是，操作(a)至(b)是可选的，因为它们也可由用于操作(e)和可选的操作(c)、(d)、(f)和(g)的系统以外的任何其它系统来执行和/或在其它时间执行。数据也可由其它功能来提供，例如仿真设备、对影体声透射(insonification on a phantom)等。空间-时间信号数据也可是预先保存的，并例如由数据存储装置、通信界面等来提供/在数据存储装置、通信界面等上读取。
[0092]
在可选的操作(c)中，空间-时间信号数据的子集可被确定为介质10中预定的空间区域40的函数，以及假设的波传播速度的函数。例如，对应于介质10中特定的空间区域40的子集中的数据可根据空间区域40与各换能器元件10之间信号的假定传播时间来确定。上述假定传播时间可根据空间区域40的位置和多个换能器和/或每个分别的换能器的位置(可选地相对于空间区域40的位置)，和假设的波传播速度来确定。作为介质10中预定空间区域40以及假设的波传播速度的函数的空间-时间信号数据的子集的确定，可基于多个20换能器21的几何构造。要指出的是，空间区域可与波束成形的图像数据中的一个像素或多个像素相关联。可选的波束成形过程可在操作(g)之后的可选操作中实施。
[0093]
如上所述，空间区域40可选地可仅包含在一个或多个关注区域42中。空间区域40可位于介质中的各个位置处，不限于特定的关注区域42。整个介质或介质的一部分可以是关注区域42。例如，只有对应于介质的波束成形图像数据中的区域和/或对应于整个波束成形图像数据的区域才是关注区域42。例如，在肿瘤的情况下，最关注的可能会是在假定的肿瘤区域中估计假设的波传播速度，而对其余组织则不大关注。
[0094]
本公开的方法还可用于估计关注区域(例如肿瘤)的空间范围。可选地基于例如可能已经在之前的检查期间生成的历史数据，可由用户指定和/或自动选择(例如通过人工智能)一个或多个关注区域。
[0095]
在可选的操作(d)中，假设的波传播速度的品质因数可基于相位特性来确定。例如，可计算相位特性的熵，例如符号比例(sign proportions)的负香农熵(negative shannon entropy)。
[0096]
在操作(e)中，基于空间-时间信号数据的相位特性，估计假设的波传播速度。操作(e)可基于可选地在操作(d)中确定的品质因数。操作(e)可在操作(d)一次或多次迭代之后实施(例如，每次操作(d)可对于不同的子集实施)。
[0097]
可能会期望根据多个预定空间区域来估计假设的波传播速度。例如，一些空间区域40可能不构成良好的反射体，因此可能不适于估计假设的波传播速度。而且，使用多个预定空间区域能够降低传播速度估计的不确定性，因为有更好的统计数据。在本发明的示例中，预定空间区域可对应于介质10的波束成形图像数据中的一个像素和/或多个像素。相应地，可在第一循环l1中重复操作(e)和可选的操作(c)和(d)。由此，可在每次迭代中或在某些迭代中选择介质10中的其它空间区域。
[0098]
还可能期望估计多个假设的波传播速度，以例如估算介质中的实际的波传播速度。在可选的操作(f)中，可调节假设的波传播速度。可根据品质因数调节假设的波传播速度。
[0099]
可在第二循环l2中重复操作(e)和可选的操作(c)、(d)和(f)。可在每次迭代和/或
某些迭代中，假设不同的波传播速度。
[0100]
要指出的是，循环l1和l2的各种组合也是可行的。例如，循环l1和l2可以按照随机顺序实施。例如，可首先假设波传播速度，然后实施循环l1，例如对于多个(可选地预定的)空间区域，对操作(e)进行迭代和可选地对可选的操作(c)和(d)进行迭代。循环l2可在之后实施，例如在循环l1中对于多个(可选地预定的)空间区域，对操作(e)和可选的操作(c)和(d)进行迭代；然后例如在循环l2中，例如在操作(f)中，假设另一波传播速度，然后可再次在循环l1中对于多个(可选地预定的)空间区域，对操作(e)和可选的操作(c)和(d)进行迭代。之后，还可对于多个假设的波传播速度，迭代循环l2。
[0101]
还可以是在循环l2中首先对于某一预定空间区域、对于多个假设的波传播速度实施操作(e)和可选地实施可选的操作(c)、(d)和(f)。循环l1可在之后实施，例如操作(e)和可选的操作(c)、(d)和(f)可针对于循环l2中的不同空间区域和循环l1中的多个假设的波传播速度重复实施。可对于介质中的多个空间区域，迭代循环l1。
[0102]
例如，可在保持在某一预定空间区域的同时，在迭代中改变假设的波传播速度，然后选择另一预定空间区域并在迭代中再次改变假设的波传播速度。还可保持某一假设的波传播速度，在迭代中选择不同的空间区域，然后假设另一波传播速度，并在迭代中再次选择不同的空间区域。
[0103]
对于本领域技术人员，各个可选的操作(c)、(d)和(f)与操作(e)的循环l1和l2的各种更多的组合是显而易见的。本领域技术人员可不偏离本公开地，根据需要组合上述操作，可选地例如根据品质因数。
[0104]
除非另有说明，在整个本公开中，“重复”和“迭代”这些词可同义地使用。
[0105]
在可选的操作(g)中，可选地基于具有最佳品质因数的假设的波传播速度和/或假设的波传播速度的最佳估计，来估算介质中实际的波传播速度。例如，具有最佳品质因数的假设的波传播速度和/或假设的波传播速度的最佳估计可以是所估计的实际波传播速度。
[0106]
可选的波束成形过程可在操作(g)之后实施，并可基于在操作(g)中估计的传播速度。
[0107]
图3示出基于相位特性估计(e)假设的波传播速度的第一示例，这可在图1的系统中和/或根据图2的方法实施。在上方显示多个20换能器元件21。在下方示出空间-时间信号数据50。空间-时间信号数据包括由多个换能器元件21在一段时间内分别接收的多个信号。每个信号的具体子集51被示意性地示出。子集51沿着虚线60定位。虚线60可以是理论线和/或假想线和/或可理解为图示，例如对操作(c)的图示，该操作根据介质10中预定空间区域40来确定空间-时间信号数据的子集。虚线的形状与介质中实际的波传播速度相关。虚线60的形状可与介质中反射所发射的超声脉冲的空间区域的位置有关。可预先计算虚线60。换句话说，信号被虚线所覆盖的部分可与空间区域相关联。基于所述部分，可在可选的波束成形操作中，计算波束成形图像数据的像素。
[0108]
根据介质中的预定空间区域和假设的波传播速度，确定空间-时间信号数据的子集的操作(c)，可理解为对应于在图3中绘制/确定/建立虚线60。相应地，通过改变假设的波传播速度，虚线的形状(以及由此，所覆盖的信号部分)也发生改变。在确定假设的波传播速度的品质因数的可选的操作(d)和/或基于空间-时间信号数据的相位特性估计假设的波传播速度的步骤(e)中，可将沿着虚线的各单个信号的相位特性相互比较。
[0109]
例如，可以是rf数据或预波束成形数据的空间时间信号数据可包括来自n个换能器元件21的n个信号。位于虚线60下方(即被虚线覆盖)的空间时间信号数据50可对应于多个振荡信号的部分，例如空间-时间信号数据。位于虚线60下方的空间时间信号数据50可对应于空间-时间信号数据50的与介质10中预定空间区域40相关联的子集。该子集可包括对应信号在时间上的一个实例，例如对应于各换能器的信号的一个时间实例，和/或对应于各换能器的信号的多个时间实例。可在操作(d)中，基于该子集的相位特性，确定品质因数。例如，符号比例可用作品质因数。例如，在对应于100个分别的换能器的100个信号中，70个信号可表现为正值符号，而30个可表现为负值符号。那么，对应的符号比例可确定为例如70％。则可基于所确定的品质因数，例如基于70％的符号比例，估计假设的波传播速度。
[0110]
换句话说，图3可以解读为：假定介质中假设的波传播速度，示出对应于来自介质10中预定空间区域40的信号延迟的虚线60。如果假设的波传播速度与介质10中实际的波传播速度接近或相同，则可使得对应于虚线60所示区域的各个换能器21的个体信号具有相似和/或相同相位特性。可基于比较对应于各个换能器21的各个个体信号的相位特性，确定品质因数。
[0111]
图4示出根据本公开的一个示例，确定作为多个假设的波传播速度的函数的品质因数。例如，符号比例可用作品质因数。则可确定假设的波传播速度的最佳和/或最高品质因数，在该速度下最多数量的信号具有相同符号，即最多数量的信号是正值，或最多数量的信号是负值。
[0112]
为了确定图4中的品质因数，可对于多个假设的波传播速度，重复参照图3所述的操作，即例如操作(e)和可选地可选操作(c)和(d)。相应地，可基于多个假设的波传播速度，确定假想的/假设的虚线60。
[0113]
对于接近和/或最接近实际的波传播速度的假设的波传播速度，品质因数将被最大化，这是因为在这样的情况下，空间-时间信号数据的相位特性可例如表现出最高的相似度。
[0114]
在可选的操作(g)中，可选地基于具有最佳品质因数(例如在操作(d)迭代期间确定的多个品质因数中的最佳品质因数)的假设的波传播速度，估计介质中的实际的波传播速度。例如，可通过图4中的具有最佳品质因数的假设的波传播速度v1，和/或基于图4中的具有最佳品质因数的假设的波传播速度v1，来估计介质中实际的波传播速度。例如，可通过在作为假设的波传播速度的函数的各个品质因数值之间插值(或内插，interpolation)，并选择最大的插值数值，以确定最佳品质因数。
[0115]
图5示出了根据本公开示例的，用于估计假设的波传播速度的周期性信号的多个不同相位特性。
[0116]
例如，第一图a)示出信号数据的符号可用于估计假设的波传播速度。换能器21可包括记录和/或接收信号的压电晶体和/或其它物体。确定相位特性可能仅需要知道各个信号在时间上的单个实例。由此，根据示例，可有利地提供快速、高鲁棒性且成本低的估计介质中假设的波传播速度的方法。
[0117]
第二图b)示出还可使用比符号更精细的类别。例如，正和负的符号可根据信号是上升还是下降进行分类。对应的类别可根据情况用下标“asc”和“dsc”来指示。这能够更精确地估计假设的波传播速度和/或更精确地估计介质中的实际的波传播速度。确定信号是
否上升或下降可能会需要知到各个信号在时间上的多个实例。
[0118]
第三图c)示出所选择的区间p1、p2、p3、p4不一定需要具有相同的大小。而且，它们也不需要相对于信号的某些点(例如最大值/最小值点、拐点和/或休止位置)对称。例如，可选择任何适合的相位区间。例如，信号的相位也可通过对所记录和/或所接收的信号进行插值来确定，例如使用周期性函数，如复数指数函数和/或傅立叶级数的和。这能够更加精确地估计假设的波传播速度和/或更加精确地估计介质中实际的波传播速度。
[0119]
根据本公开的方法，提供对介质中实际的波传播速度的快速且自动的估计。该估计可基于估计假设的波传播速度的品质因数，例如符号比例的熵。可基于与介质关联的空间-时间信号数据来确定品质因数。空间-时间信号数据可包括对应于介质的波束成形图像数据中的一个或多个或所有像素和/或空间区域的每一信道样本。可遍及整个空间-时间信号数据对品质因数进行评估，例如遍及每一信道样本对品质因数进行评估。品质因数，例如符号比例的熵，可提供对延迟波前(delay wavefront)对齐(alignment)的质量测量，延迟波前可选地对于波形或变迹(apodization)不敏感。通过最小化熵和/或最大化品质因数，可实现延迟波前更好的对齐，由此可估计实际的波传播速度。
[0120]
本公开的实例对发射的超声脉冲的具体类型不做要求。例如，一个单一的平面波发射可足以实施可选的操作(a)。
[0121]
本公开的实施例可承担较轻的计算负担，并可由此在实时操作期间使用。
[0122]
本公开的实施例可有利地对于波形或变迹不敏感。本公开的示例方法可自动地实施。
[0123]
本公开的实施例可以不依赖于互相关(cross-correlation)运算符，而是可基于与介质关联的空间-时间信号数据的相位特性，例如空间-时间信号数据的符号比例，例如延迟波前。相应地，计算负担要更小得多。
[0124]
由于估计基于相位特性，例如信号的符号，并可例如不基于精确的波形，本公开的实施例可对于变迹不敏感。
[0125]
本公开的实施例可扩展到与深度层相关的速度估计。本公开的实施例可例如能够使用在操作(a)期间发射到介质中的任何类型的脉冲。
[0126]
对实际的波传播速度的更精确的估计能够获得更高质量的波束成形图像数据，这可通过使用所估计的实际的波传播速度来实施波束成形而实现。对实际的波传播速度的更精确的估计可由此提供更高的信噪比(snr)和/或更高的对比度和/或更高的空间分辨率。
[0127]
对于本领域技术人员，借助于本领域技术人员的一般知识，已知各种其它相位特性。本公开应解读为不限于上述相位特性。
[0128]
而且，还可使用相位特性的各种组合。还可迭代上述方法，其中，可例如在之后的迭代中使用不同的相位特性。例如，可起始于宽泛的类别，例如符号(参见第一图a)，并迭代地应用更加精细的类别，例如符号与下降信号/上升信号(参见第二图b)和/或恰当选择的相位区间(参见第三图c)的组合。
[0129]
在整个本说明书，包括权利要求中，除非另有说明，“包括”应理解为与“包括至少一个”同义。此外，除非另有说明，本说明书、包括权利要求中提到的任何范围应理解为包括其一个或多个端值。对于所述元件的具体数值应理解为在本领域技术人员已知的可接受的制造或工业容差内，并且对“大致”和/或“大约”和/或“一般”这些词的任何使用应理解为指
处于这样的可接受的容差内。
[0130]
除非另有说明，在整个本公开中，“记录”和“接收”这些术语可同义地使用。
[0131]
尽管在此参照具体示例说明了本公开，应理解的是，这些示例仅对于本公开的原理和应用是示意性的。
[0132]
本说明书和实施例旨在仅作为示例考虑，本公开的实际范围由以下权利要求指明。
[0133]
在此对作为现有技术提及的专利文献或任何其它事项的引用，不应当作承认在权利要求中任一项的优先权日期，该文献或其它实现是先前已知的，或其包含的信息属于公知常识。
[0134]
综上所述，如上所述的根据本公开的方法提供有利地更快、更可靠、更具鲁棒性、计算成本更低并由此需要更少的处理功率的估计介质中假设的波传播速度的方法和系统。这意味着更低的计算成本，尤其改善实时计算模式。而且，由于提高的精确度，可有利地实现减小的方差和由此提高的可再现性。

技术特征：
1.一种估计介质中假设的波传播速度的方法，所述介质与空间-时间信号数据相关联，其中，所述方法包括：基于所述空间-时间信号数据的相位特性来估计(e)所述假设的波传播速度。2.如权利要求1所述的方法，其中，所述空间-时间信号数据是或包括预波束成形的空间-时间信号数据和/或射频数据，和/或其中，所述空间-时间信号数据包括从所述介质接收的多个振荡和/或周期性信号，和/或所述多个振荡信号的部分。3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述相位特性包括以下中的至少一项：
·
符号；
·
相位；
·
符号比例；
·
相位区间；
·
相位演变状态；和，
·
相位特性的比例。4.如上述权利要求中任一项所述的方法，该方法还包括：基于所述相位特性，确定(d)所述假设的波传播速度的品质因数，其中，估计(e)所述假设的波传播速度基于该品质因数。5.如权利要求4所述的方法，其中，通过使用预定的函数g确定(d)所述品质因数，所述函数g是以下中的至少一项：围绕轴x＝50％对称的函数g(x)，其设置为在x＝50％时最大、且在x＝0％和x＝100％时最小，或在x＝50％时最小、且在x＝0％和x＝100％时最大；钟形函数；正态分布函数；负香农熵函数。6.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述空间-时间信号数据与所述介质中的预定空间区域相关联。7.如权利要求1至4中任一项所述的方法，所述方法还包括：根据所述介质中的预定空间区域和所述假设的波传播速度，确定(c)所述空间-时间信号数据的子集，其中，所述假设的波传播速度是基于该子集估计的。8.如权利要求7所述的方法，其中，所述子集包括所述振荡信号的多个部分，其中，所述多个部分是根据所述空间区域和/或所述假设的波传播速度、相对于彼此地被选择。9.如权利要求6和7中任一项所述的方法，其中对于多个子集并行或串行地迭代所述方法，每个子集与所述介质中不同的空间区域相关联，其中，基于所述多个子集的品质因数来估计所述假设的波传播速度。
10.如权利要求9所述的方法，其中，基于所选择的子集的高于预定阈值的品质因数来估计所述假设的波传播速度，和/或基于根据预定的加权函数加权的品质因数来估计所述假设的波传播速度。11.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，对于多个不同的假设的波传播速度实施所述方法，并且其中，所述方法还包括：基于具有最佳品质因数的假设的波传播速度，估算(g)所述介质中实际的波传播速度。12.如权利要求1至10中任一项所述的方法，所述方法还包括：根据所述品质因数调节(f)所述假设的传播速度，和/或其中，迭代所述方法以使得所述品质因数增高，其中，所述方法在每次迭代中包括经过调节的波传播速度。13.如权利要求12所述的方法，其中，估计(e)所述假设的波传播速度包括将所述品质因数与预定阈值比较，和或迭代所述方法，直至所述品质因数高于预定阈值，和/或所述方法还包括：基于具有最佳品质因数的假设的波传播速度，估算(g)所述介质中实际的波传播速度。14.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述多个信号由分别的多个换能器元件接收。15.如上述权利要求中任一项所述的方法，在确定(c)所述子集和/或确定(d)所述品质因数之前，所述方法还包括：将脉冲发射(a)到所述介质中，和作为响应地从所述介质接收(b)所述多个信号。16.一种估计介质中波传播速度的的方法，所述方法包括如权利要求11至13中任一项所述的方法。17.一种计算机程序，其包括计算机可读指令，当其被数据处理系统执行时，所述计算机可读指令使得所述数据处理系统执行如上述权利要求中任一项所述的方法。18.一种用于估计介质中假设的波传播速度的系统，所述介质与空间-时间信号数据相关联，其中，所述系统包括处理单元，该处理单元配置为：基于所述空间-时间信号数据，估计所述假设的波传播速度。

技术总结
本发明涉及一种估计介质中假设的波传播速度的方法，所述介质与空间-时间信号数据相关联，其中，所述方法包括：基于所述空间-时间信号数据的相位特性来估计(e)所述假设的波传播速度。播速度。播速度。


技术研发人员：张博
受保护的技术使用者：声科影像有限公司
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/9/26