CN101002107A - 用于心电图触发的回溯彩色血流超声成像的系统和方法 - Google Patents

用于心电图触发的回溯彩色血流超声成像的系统和方法 Download PDF

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Abstract

用于产生ECG触发的回溯彩色血流超声图像的方法，包括产生超声，在第一位置将所述超声传送到对象内，其中取自对象的ECG信号的第一参照点触发所述超声传输，在第一位置接收从对象反射的超声，在第二位置将所述超声传送到对象内，其中取自对象的ECG信号的第二参照点触发所述超声传输，在第二位置接收从对象反射的超声，处理所接收到的超声以形成超声彩色轨迹，并重建所述超声彩色轨迹以形成所述超声图像。

Description

用于心电图触发的回溯彩色血流超声成像的系统和方法
发明人：
Ross Williams(R.威廉斯)
Andrew Needles(A.尼德尔斯)
Emmanuel Cherin(E.彻林)
F.Stuart Foster(F.S.福斯特)
交叉引用的相关申请
本申请要求在2004年3月1日提交的美国临时申请NO.60/549,041的优先权。前述申请的内容在此通过引用的方式纳入本说明书。
背景技术
小型动物或实验动物研究是现代生物医学发展的基础。利用小型动物的研究使得研究者能够理解复杂的生物学机制，并且能够理解人类和动物疾病的进展，以及能够研制新的药物以便治疗或减轻许多人类和动物的疾病。小型动物研究在生物医学研究的许多领域是重要的，所述领域包括神经生物学、发育生物学、心血管研究和癌症生物学。
在生物医学研究的许多领域，精确地确定经过特定器官或结构的血流特征是重要的。例如，在肿瘤学领域，对肿瘤中血流的确定能够增进癌症生物学的理解，并且因为肿瘤的生长和转移需要血液，所以有助于确定和发展抗癌疗法。
彩色血流成像系统通过测量时间，或反向散射信号之间的频率相移来估计血流速度。在小型动物诸如小鼠体中和人体中血流速度的彩色血流成像已经通过扫描目的区域上的传感器实现。然而，该技术有局限性，包括由扫描速率引起的组织杂波假象，这限制了检测低速血流的能力。其它局限性包括当使脉动血流可见时，特别是如果脉搏频率与探头的扫描频率非常相关，就会出现时空去相关假象。此外，另外的局限性包括基于每个位置需要的射频(RF)数据线数量而限制了对血流速率的精确估计。
发明内容
根据一个实施方案，用于产生心电图(ECG)触发的回溯彩色血流超声图像的方法包括产生超声，在第一位置将超声传送到对象内，其中取自对象的ECG信号的第一参照点触发超声传输，在第一位置接收从对象反射的超声，在第二位置将超声传送到对象内，其中取自对象的ECG信号的第二参照点触发超声传输，在第二位置接收从对象反射的超声，处理所接收到的超声以形成超声彩色轨迹，以及重建超声彩色轨迹以形成超声图像。
本发明的其它装置、方法和方面及优点将参照附图和优选实施方案的详细描述被论述。
附图说明
本发明将通过实施例的方式被描述，在示例性实施方案的描述中，特别参照附图，其中：
图1是说明一个示例性成像系统的方框图；
图2是说明通过用于产生ECG触发的回溯彩色血流超声图像的一个示例性成像系统获取超声数据的操作的流程图；
图3示出一个来自一示例性对象的示例性ECG信号；
图4是说明利用用于产生ECG触发的回溯彩色血流超声图像的一个示例性成像系统获取超声数据的示意图；
图5是说明通过用于产生ECG触发的回溯彩色血流超声图像的一个示例性成像系统处理彩色血流的操作的流程图；
图6是说明通过用于产生ECG触发的回溯彩色血流超声图像的一个示例性成像系统重建彩色血流的操作的流程图；
图7是说明回溯彩色血流重建的示意图；
图8是说明一个示例性回溯彩色血流成像系统的方框图；
图9示出利用ECG触发的回溯彩色血流超声成像方法所挑选的小鼠颈动脉的重建的帧；
图10是说明一个示例性回溯B模式成像系统的方框图。
具体实施方式
如全文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数形式的对象，除非上下文清楚地规定其它形式。因此，例如，对于“一条轨迹”、“一帧”或“一个脉冲”可包括两个或更多这样的轨迹、帧或脉冲，除非上下文指明其它形式。
用“对象”表示个体。术语对象包括小型动物或实验动物以及包括人类的灵长类动物。实验动物包括，但不局限于，啮齿动物诸如小鼠或大鼠。术语实验动物也可以和动物、小型动物、小型实验动物或对象交替使用，包括小鼠、大鼠、猫、狗、鱼、兔、豚鼠、啮齿动物等。术语实验动物不表示特定年龄或性别。因此，无论成年动物和新生动物，以及胎儿(包括胚胎)，雄性还是雌性，都包括在内。
图1是说明成像系统100的方框图。系统100在对象102上工作。超声探头112被放置在接近对象102的地方以便得到超声图像信息。超声探头112可包括可用于采集超声数据110的机械扫频(swept)传感器109。传感器109一般是一个单元件机械扫描(scanned)传感器。超声探头112包括用于超声束复位(并记录超声束的空间位置)的机械装置。在一个实施方案中，定位机械装置包括连接到高分解步进马达的光位置编码器，如在美国专利申请No.10/683,890，名称为“HighFrequency，High Frame-Rate Ultrasound Imaging System”中所述，在此通过引用的方式纳入本说明书中。在另一个实施方案中，传感器包括一压电元件阵列(未示出)，该阵列可通过利用可变脉冲和延迟机械装置被电子地控制。
如果被使用，传感器109或该阵列可产生高频超声能量，高频诸如，但不局限于，高于20MHz，包括25MHz，30MHz，35MHz，40MHz，45MHz，50MHz，55MHz，60MHz，65MHz，70MHz，75MHz，80MHz，85MHz，90MHz，95MHz，100MHz以及更高的频率。此外，远远高于以上所述频率的工作频率也是预期的。如果被使用，传感器109或该阵列也可产生临床频率超声能量，临床频率诸如，但不局限于，1MHz，2MHz，3MHz，4MHz，5MHz，10MHz或15MHz。这些所公开的高频和临床频率指的是示例性额定中心频率，在该频率传感器109或阵列能够产生和传送超声能量。这对于本领域技术人员来说是清楚的，这样的频率可以改变。
对象102被连接到心电图(ECG)电极104以得到来自对象102的心节律或信号(图3)。来自电极104的心脏信号被传送到ECG放大器106以便调节该信号以提供给超声系统131。可以意识到，信号处理器或其它这样的设备可用来代替ECG放大器以调节信号。
如果来自电极104的心脏信号适于获取，那么可完全避免使用放大器106或信号处理器。
超声系统131包括控制子系统127，图像构造子系统129，它有时被称为“扫描转换器”，传送子系统/光束形成器118，接收子系统/光束形成器120，马达控制子系统119和用户输入设备136。如果传感器包括电子可控制阵列，则光束形成器被使用。处理器134与控制子系统127和显示器116相连。
存储器121与处理器134相连。存储器121可以是任何类型的计算机存储器，并且典型地是被称为随机访问存储器“RAM”，本发明的系统软件123、速率估计软件124和回溯重建软件125存储在其中。系统软件123、速率估计软件124和回溯重建软件125，控制使得超声系统131显示回溯彩色血流图像的超声数据110的获取、处理和显示。系统软件123、速率估计软件124和回溯重建软件125包括一个或多个模块以便获取、处理和显示来自超声系统131的数据。该软件包括协调超声子系统的机器代码的各种模块。
从超声系统获取的数据，被处理以形成图像，然后被显示在显示器116上。系统软件123、速率估计软件124和回溯重建软件125，允许对多个获取的会话以及与这些会话有关的数据的保存和加载进行管理。通过系统软件123、速率估计软件124和回溯重建软件125也启动了超声数据后处理，以获取图像。
用于ECG触发的回溯彩色血流成像系统可利用硬件和软件的组合实现。系统的硬件实现可包括以下本领域众所周知的技术的任何一种或其组合：分立电子元件、具有用来在数据信号上实现逻辑功能的逻辑门的分立逻辑电路、具有专用逻辑门的应用专用集成电路、可编程门阵列(PGA)、现场可编程门阵列(FPGA)等。
用于系统的软件包括用来实现逻辑功能的可执行指令的有序列表，并且通过或结合指令执行系统、装置或设备，诸如基于计算机的系统、包含处理器的系统或可从指令执行系统、装置或设备取回指令并执行该指令的其他系统，该软件可被包含在任何计算机可读介质中以备使用。
在本申请文件的上下文中，“计算机可读介质”可以是通过或结合指令执行系统、装置或设备能够包含、存储、通信、传播或传送程序以供使用的任何装置。计算机可读介质可以是，例如但不局限于，电子的、磁的、光学的、电磁的、红外的或半导体系统、装置、设备或传播介质。计算机可读介质的更多特定的示例(非穷举列表)可包括以下介质：拥有一条或多条电线的电子连接(电子的)、便携式计算机磁盘(磁的)、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)(磁的)、光缆(光学的)、以及便携式光盘只读存储器(CDROM)(光学的)。注意计算机可读介质甚至可以是纸或其他可在上面打印程序的合适的介质，由于程序能通过例如对纸或其它介质的光扫描被电子地俘获，接着被编译、被解译或如果需要以合适方式被另外处理，然后被存储在计算机存储器中。
存储器121可包括通过成像系统100所得到的超声数据110。计算机可读存储介质138被连接到处理器，以向处理器提供指令以便指挥和/或配置处理器去执行与超声系统131工作相关的步骤或算法。计算机可读介质可包括硬件和/或软件，诸如，仅作为示例的方式，磁盘、磁带、光可读介质诸如CD ROM，半导体存储器诸如PCMCIA卡。在每一种情况下，介质可采取便携式产品形式，诸如小磁盘、软盘、盒式磁带，或者它也可以采取较大的或固定产品形式，诸如硬盘驱动器、电晶管存储卡、或在支持系统中所提供的RAM。需要注意的是，以上所列举的示例介质可被单独使用或组合使用。
超声系统131可包括控制子系统127以便指挥超声系统131的不同元件工作。控制子系统127和相关元件可作为软件被提供用于指挥常规用途处理器或作为硬件实现中的专用电子组件。在一个实施方案中，控制子系统127可包括主振荡器804(图8)，该振荡器能产生连续波(CW)信号用来提供给传送子系统118。
控制子系统127与传送子系统/光束形成器118相连，以便把超声传送信号提供给超声探头112。传送子系统118可在如图1中所示的超声系统131内部。在一个实施方案中，部分传送子系统118可在超声系统131外部。例如，在一个实施方案中，任意波形产生器(AWG)812(图8)和射频放大器814(图8)可被用来给超声探头112提供传送信号。传送子系统118促使传感器109传送多个超声脉冲402(图4)到对象102中。多个脉冲可被传送并被整体称为一个“脉冲序列”。“脉冲序列”或“序列”可包括大约，例如，每秒500、1000、2000、3000、4000、5000、10000或更多脉冲。然而，在脉冲序列或序列中的脉冲数量可改变，这对于本领域技术人员来说是清楚的。
超声探头112给接收子系统/光束形成器120提供超声接收信号。该接收子系统120还给图像构造子系统129提供所接收信号的信号样本。在一个实施方案中，接收子系统120可包括解调器806(图8)和模数(A/D)转换器808(图8)，可调节所接收到的超声信号用来提供给控制子系统127和图像构造系统129。解调器806是一个利用从传感器109上所接收到的RF数据信号包络并将该包络转换成同相位(I)和正交相位(Q)的格式。来自解调器806的I和Q数据可通过模拟-数字转换器808被转换为数字数据用来提供给控制子系统127和图像构造子系统129。在其他实施方案中，RF信号可通过本领域已知方法被直接采样，而不是采样包络以提供I和Q数据。
超声系统131包括用于将由所接收的超声回波所产生的电信号转换为能够由处理器134处理并在显示器116上形成图像的数据的图像构造子系统129。控制子系统127指挥图像构造子系统129在所接收的数据上工作以便利用超声数据110形成图像用于显示。控制子系统127也可与马达控制子系统119相连以便给马达111提供马达控制信号去控制超声探头112在对象112上移动到位置K(图2)，如下所述。控制子系统127指挥图像构造子系统129。
超声系统131可包括被配置用来从ECG放大器106接收信号的ECG信号处理器108。ECG信号处理器108给控制子系统127提供各种信号。ECG信号可被含有多个超声能量脉冲或脉冲序列的传感器109用来触发传输。从ECG信号处理器108提供给控制子系统127的信号可触发穿过对象102的解剖区域的超声数据110的获取。
在另一个实施方案中，接收子系统120也能接收来自ECG信号处理器1 08的ECG时间戳，如美国专利申请No.10/736,232，名称为“System of Producing an Ultrasound Image using Line-Based ImageReconstruction”中所述，在此通过引用的方式纳入本说明书中，而不触发超声能量的传输。在这个所纳入的实施方案中，ECG信号不用于触发脉冲传输，而改为ECG持续地并与超声数据110同步地被记录。从所记录的ECG信号，挑选一系列时间戳并用来确定在每个位置所收集的RF数据中的哪个数据将被用来重新构成电影回放第一帧，并且从那里开始，构成后续帧。如本申请文件通篇所用，电影回放是指包括一系列图像的电影以相对高的帧率被显示。
超声系统131通过超声探头112传送和接收超声数据，提供一个界面给用户以便控制成像系统100的工作参数，并且处理数据以适于用公式表示ECG触发的回溯彩色血流图像。如本申请文件通篇所用，ECG触发的回溯彩色血流图像是一个包括在相对于对象102心动周期的一个特定时间上的目的区域上的流(也就是血流)的图像，从一组在从对象ECG轨迹检测到的触发信号的检测上获取的数据被重建。图像通过显示器116被显示。一系列图像可作为一个电影回放被显示在显示器116上。
人机界面136从用户接收输入，并将这样的输入译码以控制超声探头112的工作。该人-机界面136还通过显示器116将所处理的图像和数据显示给用户。
系统软件123、速率估计软件124和回溯重建软件125，与图像构造子系统129共同工作，在由接收子系统120所产生的电信号上工作，以便产生对象102的解剖的ECG触发的回溯彩色血流图像。
系统软件123与处理器134共同工作，能够指挥超声数据110的获取，如下文所述。速率估计软件124与处理器134和所获取的超声数据110合作，能够处理所获取的数据以便提供速率估计或彩色血流轨迹，如下文所述。速率估计软件124利用，例如，Kasai自相关彩色血流方法，例如由Loupas等人在IEEE Trans.UltrasonFerroelectr.Freq.Cont.42(4)：672-678(1995)中所描述的能够处理超声数据的方法。速率估计软件124还可利用互相关方法、Fourier方法，或通过利用本领域中已知的其他方法处理超声数据110。回溯重建软件125，与处理器134共同工作，由速率估计软件124产生的速率估计，以及图像构造子系统129可产生所获取和所处理的数据的彩色血流回溯重建图像以便被显示在显示器116上，如下文所述。重建图像可被显示在显示器116上并且一系列图像可如电影或电影回放那样被显示。
利用上文所述的成像系统100以产生ECG触发的回溯彩色血流超声图像的方法可以包括数据获取、彩色血流处理和彩色血流重建。
图2是说明通过用于产生ECG触发的回溯彩色血流超声图像的成像系统100获取超声数据110的一个实施方案的操作的流程图200。流程图中的框可按所示顺序、不按所示顺序、或同时执行。在框202中，成像系统100开始数据获取处理。在框204中，包括传感器109的超声探头112相对于对象102在位置K处被定位，其中K＝1，2，...M。在每个位置K，RF数据利用脉冲-回波技术获取。
超声探头112可一开始手动或利用马达111被定位到位置K＝1处，所述马达111是在马达控制子系统119、控制子系统127和系统软件123的控制下。位置K＝1对应于对象102解剖的部分，在此第一超声信号被传送和接收。K的每个后续值，K＝2，3，...M，对应于对象102解剖部分的相应后续位置，在此后续的超声信号被传送和接收，如下文所述。
每个K值可对应于沿着对象102的相隔给定距离的横向位置。例如，每个位置K可相隔近似1微米(μm)、5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、100μm、500μm或更大的距离。基于用户在人机界面136的输入和通过使用马达111，所述马达111是在马达控制子系统119和系统软件123的控制下，超声探头112能在每个位置K被定位，并在每个位置K之间移动。
每个位置K之间的距离可通过用户和用户在人机界面136的输入来选定。在每个位置K之间的距离一般被称为“步长”。可由本领域技术人员决定有关步长的选择，并且通常与步长选择相关的因素包括所发射的超声束的宽度，要成像的对象解剖的区域或部分的大小和/或流过要成像的对象解剖的区域或部分的血液或液体流动特征。例如，本领域技术人员可选择一个步长，以使得有足够多的位置K被定义穿过对象解剖的区域。因此，如果对象解剖的一个小区域被成像，就可使用一个小步长以使得超声可沿着该区域在足够多的位置K上被传送。本领域技术人员也可基于所成像的对象解剖的区域或部分内的血流速率的不同，而选择步长。例如，如果区域中的速率快速改变，与速率在整个区域相对一致的情况相比，可选定一个更小的步长。
在框206中，超声系统131检测来自ECG信号处理模块108的ECG触发。ECG触发是基于对象102的ECG信号，通过使用ECG电极104和ECG放大器106被提供给ECG信号处理模块108。一个示例性ECG信号由编号300在图3中示出。轨迹302表示ECG信号。超声系统131的ECG处理模块108利用R波脉冲304的峰值检测，自动检测ECG信号轨迹302上固定的和可重复的点，从该点超声传送信号或脉冲的传输可被触发。因此，在框206中，确定R波脉冲304的峰值是否已经出现(代表ECG触发)。对象ECG信号轨迹302的其他波、或它们的峰值也可被用来触发一个超声传送信号或脉冲。例如，P波、Q波、S波以及T波或它们的峰值可被用来触发获取。上述提及的每个波可表示一个能触发超声能量传输的参照点。ECG信号轨迹302可包括每个波的多个峰值，并且每个峰值可触发超声能量传输。因此，ECG轨迹可包括第一和第二以及更多上述波峰值。每个峰值可提供用来触发超声能量传输的ECG信号的一个参照点。当选择了给定波类型的峰值用来触发超声能量传输时，同样波类型的后续峰值可被用来触发超声能量后续传输。
如果在框206中检测到ECG触发，那么在框208中传送子系统118促使来自传感器109的超声能量的N个脉冲传输到对象102中。N脉冲传输(脉冲序列)由从所成像的对象获取的ECG信号触发。传送脉冲序列包括多个传输脉冲(1到N)，具有由从传感器到所成像的血流的距离所确定的最大脉冲重复频率(PRF)以及所成像的对象102的解剖部分的属性(即声速和最大血流速率)。在PRF为10kHz，在每个传感器109位置每秒传送10,000个脉冲。根据要成像的血流速率PRF可低于最大可能值。例如，利用具有10kHzPRF的40MHz脉冲，当检测到高于100毫米每秒(mm/s)的轴向速率时，将出现血流假频。根据预期的速率分辨率，允许较慢血流区域采用更低的PRF。更高的PRF可被用来在作为结果的回溯彩色血流电影回放中产生更高帧率。最大可能帧率等于PRF。对于每个位置，所接收到的RF数据形式的脉冲(1到N)，通过接收子系统120转换为I和Q数据，并以所解调的I和Q形式被存储在存储器121中作为超声数据110。超声数据110也可以RF形式存储。当以RF形式存储超声数据110时，可使用更高的帧获取采样频率。
如果在框206中没有检测到ECG触发，那么在框210中超声系统131等待ECG触发。在框212中，对于由传感器传送的每个超声能量N的脉冲，利用接收子系统120，RF超声能量回波被传感器109接收并被提供给超声系统131。所接收的超声能量被收集并被存储为所解调的超声数据110的N轨迹。
在框214中，超声探头112，包括传感器109被重定位到沿着对象102的新位置K，其中K＝K+1。如果在框214中，K大于M，那么在框216中数据获取完成。如果在框214中，K小于或等于M，那么数据获取未完成，并且在框210中超声系统131等待后续ECG触发。
图4是说明利用用于产生ECG触发的回溯彩色血流超声图像的成像系统100获取超声数据110的示意图。图4示出上文所述的超声传感器的位置K(K＝1，2，...M)，并在流程图200中详细描述。在每个位置K＝1，2，...M上，传感器109传送时间间隔T＝1/PRF的N个超声脉冲(1到N)402的序列到对象102中并在每个脉冲402传输后接收RF回波403。基于从对象102的ECG轨迹302所得到的ECG触发信号404的N脉冲402序列被传送。
图5是说明通过用于产生ECG触发的回溯彩色血流超声图像的成像系统100处理彩色血流的操作的流程图500。流程图中的框可按所示顺序、不按所示顺序、或并发执行。框502中，超声系统131开始彩色血流处理。在每个位置K所获取的超声数据110被处理，从所解调的I和Q数据N轨迹到N’的彩色血流轨迹。根据在彩色血流处理中所用的信号群的大小，彩色血流轨迹数量典型地少于或等于N减1。信号群是一组用来产生一个彩色血流轨迹的连续RF线。
速率估计软件124和处理器134以及所获取和收集的超声数据110一起执行彩色血流处理。在框504中，取回用于位置K的超声数据110，其中K＝1，2，...M。在框506中，用于位置K的超声数据110被输入到速率估计软件124中作为N解调轨迹。速率估计软件124获取N解调轨迹输入，然后输出N’彩色血流轨迹，在此N’小于或等于N减1。
速率估计软件124执行在每个位置K所收集的输入N轨迹上速率估计的相关。为了执行相关速率估计，速率估计软件124可利用，例如，Kasai自相关彩色血流技术，在Loupas等人于IEEE Trans.Ultrason Ferroelectr.Freq.Cont.42(4)：672-678(1995)中所描述的，在此通过引用的方式纳入本说明书中。然而，可利用速率估计的其它方法，例如，互相关方法或Fourier方法，在本领域中已知的方法可被利用。在框508中，取回用于位置K＝K+1的超声数据110。在框508中，如果K的新值大于M，那么在框510中彩色血流处理完成。在框508中，如果K的新值小于或等于M，那么如在框504和506中所述的用于位置K＝K+1的处理被执行。
图6是说明通过用于产生ECG-触发的回溯彩色血流超声图像的成像系统100重建彩色血流的操作的流程图600。流程图中的框可按所示顺序、不按所示顺序、或并发执行。回溯重建软件125指挥彩色血流图象重建将与在每个传感器位置(K＝1，2，...M)所获取的RF数据N轨迹相对应的由速率估计软件124所产生的彩色血流处理过的轨迹N’映射为对象解剖的区域或部分上的血流图像。
在框602中，超声系统131开始彩色血流重建。在框604中，回溯重建软件125重建帧F，其中F＝1，2，...N’。在所重建的彩色血流重建中帧N’的数量由框506输出的彩色血流处理过的轨迹N’的数量确定。
在框606中，回溯重建软件125取回对应于取自传感器位置K，其中K＝1，2，...M的RF数据信号群的彩色血流轨迹号F(1到N’)。在框608中，来自每个位置K的每个轨迹号F由回溯重建软件125映射为如行702号K(K＝1，2，...M)一样的帧号F(图7)。包括每个帧F的行702的数量由传感器位置M的数量确定，在位置M上获取数据。
在框610中，回溯重建软件125进入下一位置K＝K+1并确定K是否大于M或K是否小于或等于M。如果K大于M，那么在框612中，回溯重建软件125进入重建下一帧F＝F+1。在框610中，如果K小于或等于M，那么如框606中所述后续轨迹号N’被取回。在框612中，回溯重建软件125确定所重建的帧号F是否大于在框604中的彩色血流轨迹N’的数量，其中F＝1，2，...N’。如果F大于N’，那么在框614中重建完成。如果F小于或等于N’，那么在框604中后续帧被构造。因此，回溯重建软件125通过插入从在传感器位置K所获取的RF轨迹信号群所处理的彩色血流轨迹号，F(1到N’)前进到帧F(1到N’)的行(1到M)。
图7是说明回溯彩色血流重建的示意图。在所有位置K(K＝1，2，...M)获取数据，并处理数据以便在每个位置K产生N’彩色血流轨迹后，彩色血流帧号F(F＝1，2，...N’)通过设置在每个位置K(K＝1，2，...M)所产生的彩色血流轨迹号F(F＝1，2，...N’)被重建为帧号F的行号K。在帧F(1到N’)重建后，一些帧可从帧中被剪辑并如电影回放一样被连续显示。例如，可开始于帧1并结束于帧N’剪辑电影回放，显示对象中的血液流动。
如上所述，本公开的系统所传送的超声可改变频率。所预期的频率是基于系统和方法所应用的成像技术，并可由本领域技术人员确定。例如，根据对象的解剖、大小和深度或在对象中所成像的血流，可选定某个频率用来以所预期的大小和深度成像。在对象中选择用来以所预期的大小和深度成像的一个特定超声频率可以很容易地由本领域技术人员确定。同样地，根据距传感器109的血流距离，以及用来成像的血流速率可以选定PRF。一个更高的PRF与更高的血流速率一起使用以便防止彩色血流速率估计中的假频。
由于通过对象102的脉管系统的血液脉动流和ECG触发信号404(图4)相关，轨迹被固有地相互排列。血液脉动流的频率与收缩和扩张对象的频率，诸如心跳，自然相关。利用ECG信号触发，通过触发超声传输和RF数据获取，可在整个时间点范围上，在相对于脉动流周期的同样时间点的对象102的每个位置K估计彩色血流。
在此所描述的系统和方法也可被用来与造影剂结合，包括在美国专利申请No.11/040,999，名称为“High Frequency UltrasoundImaging Using Contrast Agents”中所述的微泡造影剂和靶向微泡造影剂，该申请通过引用的方式纳入本说明书中。
如上文所述，所产生的ECG触发的回溯彩色血流超声图像可利用本领域已知的重叠方法被重叠在回溯B扫描图像上。例如，ECG所触发的回溯彩色血流图像可被重叠在利用在美国专利申请No.10/736,232，名称为“System for Obtaining an Ultrasound ImageUsing Line-Based Image Reconstruction，”中所描述的基于行的重建所产生的图像上，该申请在此通过引用的方式纳入本说明书中。例如，利用所纳入的基于行的重建方法可产生对象102的解剖部分的第一图像。ECG触发的回溯彩色血流数据或图像可被重叠到第一图像上。所重叠的彩色血流图像对应于在由基于行的重建方法所产生的第一图像中所描述的解剖部分中的目的区域。因此，显示血流速率的ECG触发的回溯彩色血流图像可被覆盖在由基于行的重建技术所产生的解剖的下面部分的图像的上面。例如，在脉管中ECG触发的回溯彩色血流成像的血流重建图像可被覆盖在脉管解剖学的基于行的重建图像上面。ECG触发的回溯彩色血流图像也可被覆盖在利用下文实施例1中所述的方法所产生的回溯B扫描图像上面。
实施例
后续实施例纯粹用来作为本发明的示例，而不是用来限制发明人所认为的本发明的范围。
实施例1：
利用ECG触发的回溯彩色血流成像在体内颈动脉中成像。
为了获取扫频扫描数据，Vevo660超声活组织显微镜(UBM)系统802(图8)(Visualsonics，Toronto，ON，Canada)被用来传送和接收超声数据。通过在内选通和放大由主振荡器804产生的CW信号，该系统被设为用来产生7个周期脉冲。
对于体内颈动脉中成像，超声探头112和传感器109一起传送40MHz脉冲。例如，在10kHzPRF处使用配备40MHz传感器(6mm焦距)的RMV604探头。对于彩色血流成像，通过Vevo660 802利用来自它的主振荡器804的CW信号利用解调元件806将所接收的信号解调，以便产生同相位(I)和正交相位(Q)信号，I和Q信号通过模数转换器(A/D)808被数字化。
利用通过Vevo660 802的主振荡器804所提供的CW信号产生所传送的脉冲，通过RF功率放大器814(M3206，AMT，Anaheim，CA)在外被选通和放大。选通信号，包括由100μs(PRF＝10kHz)相等时间间隔的10,000矩形脉冲序列，通过任意波形产生器AWG 812(AWG 2021，Tektronix，Beaverton OR)提供。所接收的信号通过Vevo660 802在内被解调。AWG 812所提供的选通信号也可通过A/D电路板802以AWG 812提供的采样时钟用来触发数据的获取。
对于数据获取，在相对于对象(小鼠)组织的连续位置，传感器保持固定。在每个位置，在传感器被移动到下一位置前，10,000脉冲序列被传送并且数据被收集。通过监控系统脉冲序列的传输由来自小鼠心搏率的ECG信号触发。监控系统可包括如上所述的ECG电极104、ECG放大器106以及ECG信号处理器108。假定周期触发来自小鼠的ECG信号，在每个位置上脉冲号n(1≤n≤10,000)传输后所收集的数据在与对象102心搏周期相同的周期被获取。可使用扩大器和限制器元件816。扩大器可被用来防止低振幅传送的电子噪声干扰所接收的超声信号。限制器可被用来防止所传送的高压电损害电子设备。限制器和扩大器可被合并在一个扩大器和限制器元件816中，并且也可以是本公开系统的单独元件。小鼠颈动脉横切面的彩色血流以每秒10,000帧的帧率(fps)产生。
小鼠被用异氟烷(在氧气中2％的浓度)麻醉并被放置在小鼠成像平台上，该平台提供温度反馈和心搏率监控(THM100，IndusInstruments，Houston，TX)。脱毛霜(NairTM，CarterHorner，Mississauga，ON，Canada)被用来从目的区域移除毛。在小鼠心脏或颈动脉成像情况下，  目的区域分别包括胸廓或喉。超声凝胶(AquasonicTM 100，Parker Laboratories，Fairfield，NJ)被用作RMV探头和皮肤之间的偶联液。在Vevo660系统上利用B模式成像，定位探头以便提供小鼠颈动脉的纵切面或横切面，其中目的区域被定位在传感器的焦点区域中。
利用如上所述的Kasai自相关彩色血流技术，所收集的超声数据被处理。在每个位置收集的10,000脉冲的64个连续解调轨迹的信号群被用来产生一系列彩色血流轨迹。为了及时使分辨率最大，将每个信号群从先前的信号群中移动一个解调轨迹，导致两个连续信号群98.5％的重叠。总数N＝9937个信号群被产生，在每个传感器位置产生9937个彩色血流轨迹，具有100μs的时间分辨率。为了产生彩色血流电影回放，于是彩色血流轨迹被重新剪辑使得电影回放的帧‘号n’(1≤n≤N)由在每个位置所收集的“号n”的彩色血流轨迹组成。最后电影回放的帧率等于PRF(也就是10kHz)。
图10是说明用来产生回溯B扫描图像的超声系统的方框图。作为具有ECG触发的回溯彩色血流系统，利用Vevo660 UBM系统1002(Visualsonics，Toronto，ON，Canada)，执行用于回溯B扫描成像的数据获取。对于颈动脉成像，40MHz脉冲通过包括一个超声传感器109的超声探头112传送。例如，一个配备有40MHz传感器(6mm焦距)的RMV604探头在PRF10KHz处被使用。所接收的信号包络通过Vevo660UBM系统中包络检测元件1008被检测到，并通过模数转换器1014数字化。利用通过任意波形发生器1014(AWG 2021，Tektronix，Beaverton，OR)所触发的高频单周期脉冲发生器1004(AVB2-C，AvtechElectrosystem，Ogdensburg，NY)传送一个周期为30MHz或40MHz的脉冲。该触发信号包括由100μs(PRF＝10kHz)时间间隔的10,000矩形脉冲序列。在由AWG1014所提供的采样时钟处，由AWG1014所提供的触发信号也可通过A/D板1010来触发数据获取。传感器被保持固定在相对于小鼠组织的连续位置。在每个位置，在移动传感器到新位置前，10,000脉冲序列被传送并且数据被收集。数据在PRF为10KHz处被获取，其中步长为30μm，在与动脉正交的平面内的1.5mm范围内，以及在与动脉平行的平面内的4mm范围内。扩大器和限制器元件1006也可被使用。扩大器可被用来防止低振幅传送的电子噪声干扰所接收的超声信号。限制器可被用来防止所传送的高压电损害电子设备。限制器和扩大器可被合并在一个扩大器和限制器元件1006中，并且也可以是本公开系统的单独元件。
图9示出利用ECG触发的回溯彩色血流超声成像方法所挑选的小鼠颈动脉重建帧。ECG触发的回溯彩色血流超声图像902可被重叠在利用回溯B模式成像技术获取的B扫描图像904上。所检测的速率在10-260mm/s之间变化并且非常符合脉冲波多普勒测量法。在颈动脉中所检测到的最高速率超过可被估计的具有PRF10KHz的速率上限。杂波滤波器被施用于多普勒频谱。
假定血液在颈动脉中仅以一个方向循环，频率范围为-PRF/2到0的多普勒频谱的负分量被解缠(也就是，所转换频率范围为从PRF/2到PRF)。在把光谱分量从-PRF调到0以后，频谱被转换回时域并利用上述方法处理彩色血流。
只观察到最小组织杂波假象。这些假象仅由组织的真实运动被引入，因为传感器在每个获取期间被固定。因为ECG触发的数据获取方法的固有属性，时空假象不再出现。获得10,000帧/秒的有效帧率，其中所估计的最佳获取时间为20-30秒，对应于约100-150次心跳。
实施例2：
在体外，利用模型ECG回溯彩色血流成像。
利用具有5Hz正弦可变速率轮廓的模型，对扫频扫描彩色血流成像和ECG触发的回溯彩色血流成像两者进行比较。该模型包括偏离中心的旋转圆盘，具有在每个旋转圆盘上产生ECG相似的脉冲的光学传感器。
利用扫频扫描技术，可获取在4mm/s和35mm/s之间良好的速率估计，然而利用如上所述的回溯方法，可获取在2mm/s和35mm/s之间好的速率估计。对于每种技术，时空去相关假象也被测试。扫频扫描彩色血流映射的多个帧，示出速度分量的位置被无条理地定位在帧之间，其中帧率依赖于扫描频率。然而，ECG触发的回溯彩色血流映射的多个帧，示出渐进的速率变化与模型的速率分布图相一致。相比于利用扫频扫描方法所获取4fps，获得10,000fps的有效帧率。
已给出的上述详细描述仅为了理解本发明的示例性实现，应该理解为并没有多余的限制，其中的变体对于本领域技术人员来说将是显而易见的，且没有偏离所附的权利要求及其等同物的范围。
本申请文件中参考了多种出版物。这些出版物的全部由此通过引用的方式被纳入本申请中以便全面描述所公开的系统和方法属于本领域的状态。所公开的参考文献也在此通过引用的方式被单独和特定地纳入本申请，这些参考文献中的内容在参考文献所引用的句子中被描述。

Claims (20)

1.一种产生超声图像的方法，包括：
产生超声；
在第一位置将所述超声传送到对象内，其中取自对象的ECG信号的第一参照点触发所述超声传输；
在第一位置接收从对象反射的超声；
在第二位置将所述超声传送到对象内，其中取自对象的ECG信号的第二参照点触发所述超声传输；
在第二位置接收从对象反射的超声；
处理所接收到的超声以形成超声彩色轨迹；以及
重建所述超声彩色轨迹以形成超声图像。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括产生频率大约为20MHz到60MHz的超声。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括在小型动物上利用所述超声以对血流成像。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述小型动物是小鼠。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括在小型动物上利用所述超声以便产生血液速率估计。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述小型动物是小鼠。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括在回溯B扫描超声图像上重叠所述超声图像。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声通过单元件机械扫描传感器产生。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声通过电子可控制阵列传感器产生。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括产生多个彩色血流轨迹，每个彩色血流轨迹从在特定位置所获取的超声数据产生并通过ECG信号的参照点触发。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括剪辑多个彩色血流轨迹以形成帧。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括连续地显示多个帧以形成电影回放。
13.一种用于产生超声图像的系统，包括：
超声探头，具有能够传送和接收超声能量的传感器；以及
处理器，用来产生ECG触发的回溯彩色血流超声图像。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，在频率范围大约为20MHz到60MHz出现所述超声。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，在小型动物上执行所述超声以对血流成像。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述小型动物是小鼠。
17.如权利要求13所述的系统，其特征在于，进一步包括传送子系统，所述传送子系统被配置用来在对象的解剖位置传送多个超声脉冲，当被ECG信号的参照点触发时，所述多个超声脉冲在所述位置被传送。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，当被ECG信号的参照点触发时，所述多个超声脉冲在对象的解剖第一位置被传送，并且当被ECG信号的参照点触发时，所述第二多个超声脉冲在对象的解剖第二位置被传送。
19.如权利要求13所述的系统，其特征在于，进一步包括：
软件，其中超声数据从对象的解剖位置被输入到所述软件，并且对应的彩色血流轨迹通过所述软件被输出。
20.如权利要求19所述的系统，其特征在于，进一步包括：
第二软件，其中彩色血流轨迹通过所述第二软件被处理，形成在对象的解剖区域或部分上的血液流动图像。
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