[发明专利]一种基于超声基波和谐波的非线性成像方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声波成像领域，特别涉及一种基于超声基波和谐波的非线性成像方法和系统。

背景技术

医学超声成像系统适用于人体诸如肝脏、肾脏、乳腺等器官的临床诊断。长期以来，传统超声成像技术的理论基础往往都是基于简化后的线性声学物理模型。但是线性理论是一种近似，它一方面忽略了非线性项；另一方面是假定介质中声压和密度的变化成正比，但当介质不太符合线性关系，超声波的强度很大，或者我们需要进行精细分析时，基于线性声学的传统超声成像技术就不能满足要求。

研究者在利用非线性声学理论改进图像的同时，也在寻求一种使用非线性进行组织定征的成像方法。使用非线性声学理论，将介质的声压p和密度ρ变化之间的关系用幂级数的定义展开如下：

其中ρ₀是介质原来的密度，而Δρ是密度的变化量。通常由于三次及以上项很小可以忽略，将二次项系数B和一次项系数A的比值定义为介质的非线性参量。非线性参量B/A是由介质的非线性特性决定的，与组织结构有非常密切的关系。而生物组织所固有的非线性声参量对生物组织在组份、结构及病理状态方面的变化更为敏感，因此过多脂肪的和标准的组织可以通过非线性参数(B/A)来予以区分，此外，产生于气泡的非线性(例如来自于造影剂)与组织内的非线性也会有明显不同，这可用于增强微弱血流。因此，如果对非线性参量进行合理测量，并实现组织内部非线性声参量的空间和时间分布的有效成像，将会给临床早期诊断带来巨大的经济和社会效益。

Nikoonahad和Liu等所发表文献《Pulse-echo single frequency acoustic nonlinearity parameter(B/A)measurement》提出了一种使用单频激励测量非线性参数B/A的方法，他们已经确切的阐述了基波和二次谐波下发射模块输入输出电压的关系，并使用不同的幅度数据来估算B/A。随后，Fatemi和Greenleaf发表的论文《Real-time assessment of the parameter of nonlinearity in tissue using“nonlinear shadowing”》调整了Liu的计算公式提出了一种基于宽带实时回波脉冲测量组织非线性的方法。Greenleaf的方法基于每个声束位置进行两次脉冲发射，一次脉冲采用高电压以激发非线性传播，而另一次使用较低电压以进行线性传播。非线性估算就可以通过分离线性和非线性传播的回波包络来完成。对于对数压缩之后的数据，这样的分离等价于线性和非线性激励产生的幅度差值。在美国专利No.4771786中使用了一种多次发射具有不同强度的脉冲来对与累积的非线性效应有关的变量进行成像的方法。基于Liu的理论分析，线性和非线性激励所产生的这个幅度差值函数(即Greenleaf论文中成像函数L)是关于B/A的单调递增函数，即：

L≈-log[sech(C₀βV)](2)

其中V为电压，β是关于非线性参数B/A的函数，对于液体有β＝1+B/2A，并且有

其中k₁和α分别为波数和衰减系数，C是初始条件被定义为z＝z₀时基波频率成分的幅度，z₀为轴向的初始距离，因此C₀对于给定的深度z而言是一个常量。从公式(2)，可以知道由于sech函数是一个关于B/A的递减函数(取值是小于或等于1)，一个大的B/A(更高的非线性)会得到一个较大的L.因此，虽然成像函数L不是直接显示B/A的数值，但能够有效的识别非线性区域和确定非线性程度。基于这个结论，Greenleaf所述方法采用Liu的分析宣称公式(1)这个成像函数是关于B/A的增函数，并且用它通过检测成像函数强度变化来识别非线性区域。但他们所提出的方法，成像函数仅仅使用了基波而没有涉及二次谐波，这使得采用他们所提出的方法获得的非线性效果来自于输入能量的增加，在实际系统中输入能量的精确改变往往是非常困难的。

发明内容

本发明的目的在于克服超声波成像现有技术中获得非线性效果仅依靠输入能量的增加而导致控制不够精确的问题，提供一种同时利用基波和二次谐波获得非线性成像的基于超声基波和谐波的非线性成像方法包括如下步骤：

(1)根据预设频率、相位连续发射检测脉冲波，并接收从待检测物体反射回的回波。

(2)对回波进行信号放大、模数转换、波束形成的处理，从而将回波处理为射频信号。