CN118806329A - 用于非衍射声学波束的发射的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本文提出了用于发射非衍射声学波束的系统和方法。在一个示例中，一种用于利用包括多个换能器元件的超声换能器发射非衍射声学波束的方法包括：针对超声换能器的给定配置，基于针对声学波束的目标轴向压力剖面来确定(806)针对超声换能器的发射延迟函数和发射切趾函数；以及基于发射延迟函数和发射切趾函数，通过向多个换能器元件发送电信号来控制(808)超声换能器以发射声学波束。

Description

用于非衍射声学波束的发射的系统和方法

技术领域

本文所公开的主题的实施方案涉及超声成像，并且更具体地涉及在超声成像中使用的非衍射声学波束的发射。

背景技术

医学超声是采用超声波来探测患者身体的内部结构并产生对应图像的成像模态。例如，包括多个换能器元件的超声探头发射超声脉冲，这些超声脉冲会被身体中的结构反射或回传、折射或者吸收。然后超声探头接收所反射的回波，这些所反射的回波被处理成图像。内部结构的超声图像可被保存以供临床医生稍后分析从而有助于诊断和/或实时或接近实时地显示在显示设备上。

发明内容

在一个实施方案中，一种用于利用包括多个换能器元件的超声换能器发射非衍射声学波束的方法包括：针对该超声换能器的给定配置，基于针对该声学波束的目标轴向压力剖面来确定针对该超声换能器的发射延迟函数和发射切趾函数；以及基于该发射延迟函数和该发射切趾函数，通过向该多个换能器元件发送电信号来控制该超声换能器以发射该声学波束。

在单独或结合附图考虑时，本说明书的以上优势以及其他优势和特征将从以下具体实施方式中显而易见。应当理解，提供以上发明内容是为了以简化的形式介绍在具体实施方式中进一步描述的一系列概念。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键或必要特征，该主题的范围由具体实施方式后的权利要求书唯一地限定。此外，所要求保护的主题不限于解决上文或本公开的任何部分中提到的任何缺点的具体实施。

附图说明

通过阅读以下详细描述并参考附图，可更好地理解本公开的各个方面，在附图中：

图1示出了根据一个实施方案的超声系统的框图；

图2是示出根据一个实施方案的用于从叠加的声学波束分量产生非衍射声学波束的过程的示意图；

图3示出了根据一个实施方案的用于产生非衍射声学波束的声源的示例性源幅度和相位；

图4示出了各种示例性非衍射声学波束的声场的正交切片；

图5示出根据一个实施方案的经由切趾函数和延迟函数指派给声学换能器的示例性压力和相位复用；

图6示出了示例性非衍射声学波束的声场以及非衍射声学波束的模拟声学压力分布；

图7示出了根据本公开的实施方案的可利用非衍射声学波束生成的示例性剪切波；

图8是根据本公开的一个实施方案的用于使用非衍射声学波束进行超声成像的方法的流程图；

图9是示出根据本公开的一个实施方案的用于确定用于利用超声探头生成非衍射声学波束的切趾函数和延迟函数的方法的流程图；

图10示出了具有和不具有衰减和补偿的非衍射声学波束的模拟声学压力和对应的压力分布曲线；

图11示意性地示出了用于进行仅相位波束成形以形成非衍射声学波束的示例性过程；

图12示出了利用使用仅相位调制成形的非衍射声学波束生成的示例性弹性图；

图13示出了波束长度和波束深度不同的各种示例性非衍射声学波束；

图14示出了可被应用以使用不同换能器配置形成非衍射声学波束的示例性非衍射声学波束剖面以及不同切趾函数和延迟函数；

图15示出了利用相同换能器形成的多个示例性非衍射声学波束；

图16示出了由分裂孔形成的示例性非衍射声学波束；并且

图17示出了用于生成非衍射声学波束的示例性目标轴向压力剖面。

具体实施方式

在医疗超声检查期间获取的超声图像可用于诊断患者状况，这可包括一名或多名临床医生分析超声图像中的异常、测量在超声图像中成像的某些解剖特征等等。作为用于无创地测量组织弹性(例如，刚度)的机制的剪切波成像(例如，弹性成像成像)可在特定临床环境中采用，诸如在肝硬化诊断的背景下对肝脏进行成像以确定刚度。声学(例如，超声)波束成形和针对声学波束成形的自由度影响剪切波成像、声学操纵和成像期间的刺激。

用于剪切波成像(诸如声学辐射力脉冲(ARFI)剪切波成像)的常规超声波束是聚焦波束。然而，得到的剪切波图像具有有限范围的聚焦区。虽然增加F光圈数(焦距与孔径的直径的比率)可扩展场的深度，但是这样做也降低了波束的声学强度，这可能导致近场和远场处的强度不足。

因此，已经引入各种声波调制方法以在成像期间实现更全面和可控的声场。然而，在其传播路径(例如，纵向路径)上完全控制声学剖面的能力是困难的。传播不变(例如，非衍射)波束已经被用于通过在图像采集期间在扩展的范围内维持纵向压力分布不变性来增加声学剖面的控制。传播不变波束的类型包括贝塞尔波束、艾里波束、马丢波束和韦伯波束，这些波束各自包括针对不同应用的特征。例如，贝塞尔波束和艾里波束通常针对声学应用。当前声学传播不变波束具有固定的纵向压力分布，这阻碍了实际的有用性。例如，虽然贝塞尔切趾的波束可以扩展的景深(DOF)覆盖近场，但是固定的波束剖面导致远场中的幅度不足。因此，常规非衍射波束可能不足以用于实际应用诸如肝纤维化成像。

本文所述的系统和方法提供了具有扩展的聚焦区和DOF的灵活的非衍射声学波束的生成，当被用作推进波束以生成用于ARFI剪切波成像的剪切波时，该灵活的非衍射声学波束增加了高强度的区域，这提供了具有更宽的准确剪切波速度图和改进的内含物描绘的扩展的有效成像区域。本文所述的声学波束(在下文中被称为非衍射声学波束)可实现任意纵向压力分布，并且可利用线性阵列换能器经由多个声学波束分量的复用来生成。公开了医学超声的多种变型，包括衰减补偿和仅使用相位延迟的波束成形。本文所述的用于生成非衍射声学波束的过程可被称为抗声学衍射自适应剖面技术(ADAPT)，并且因此非衍射声学波束也可被称为基于ADAPT的波束或使用ADAPT形成的非衍射声学波束。

例如，超声成像系统诸如图1的超声成像系统可用于生成非衍射声学波束以获得剪切波(例如，弹性成像)图像。本文所公开的声学波束可由具有不同波数的多个波束(也被称为声学波束分量)形成，该多个波束被叠加以形成单个非衍射声学波束，如图2所示，具有超声换能器的压力和相位分布，如图3所示。不同深度、长度和数量的不同非衍射声学波束可利用相同换能器或不同换能器产生，如图4和图13至图16所示。叠加的声学波束分量可定义可应用于换能器以形成非衍射声学波束的切趾函数和延迟函数，如图5所示，该非衍射声学波束沿着多个轴具有给定声学压力分布，如图6所示。

如先前所提及的，非衍射声学波束可用作在图7中示出的感兴趣组织中形成剪切波的推动波束，该剪切波可用于剪切波成像(也被称为弹性成像)。为了利用非衍射声学波束对受检者进行成像，可根据图8的方法控制超声系统(诸如图1的超声系统)，由此根据图9的方法确定切趾和延迟函数以形成具有目标轴向压力剖面的非衍射声学波束。示例性目标轴向压力剖面在图17中示出。在成像期间，可补偿各种组织的衰减差异，这可导致轴向压力剖面和声学波束位置的减少的失真，如图10所示。在一些示例中，不是单独地应用切趾函数和延迟函数两者来形成非衍射声学波束，而是可在延迟函数中对切趾函数进行编码，并且仅根据经编码的延迟函数来控制换能器，如图11中示意性示出的，其可在剪切波成像期间应用以产生弹性图，如图12所示。

参考图1，示出了根据本公开的实施方案的超声成像系统100的示意图。超声成像系统100包括发射波束形成器101和发射器102，该发射器驱动换能器阵列(本文中称为探头106)内的元件(例如，换能器元件)104，以将脉冲超声信号(本文中称为发射脉冲)发射到身体(未示出)中。根据实施方案，探头106可为一维换能器阵列探头。然而，在一些实施方案中，探头106可为二维矩阵换能器阵列探头。如下文进一步解释的，换能器元件104可由压电材料构成。当向压电晶体施加电压时，晶体物理地膨胀和收缩，从而发射超声球面波。以此方式，换能器元件104可将电子发射信号转换为声学发射波束。

在探头106的元件104将脉冲超声信号发射到(患者的)身体中之后，脉冲超声信号从身体内部的结构(如血细胞或肌肉组织)反向散射，以产生返回到元件104的回波。回波被元件104转换为电信号或超声数据，并且电信号被接收器108接收。表示接收到的回波的电信号穿过输出射频(RF)数据的接收波束形成器110。另外，换能器元件104可根据接收到的回波产生一个或多个超声脉冲以形成一个或多个发射波束。

根据一些实施方案，探头106可含有电子电路来完成发射波束形成和/或接收波束形成的全部或部分。例如，发射波束形成器101、发射器102、接收器108和接收波束形成器110的全部或部分可位于探头106内。在本公开中，术语“扫描(scan)”或“扫描(scanning)”也可用于指通过发射和接收超声信号的过程来采集数据。在本公开中，术语“数据”可用于指用超声成像系统采集的一个或多个数据集。用户界面115可用于控制超声成像系统100的操作，包括控制患者数据(例如，患者病史)的输入，改变扫描或显示参数，启动特定采集模式诸如剪切波成像等。用户界面115可包括以下项中的一者或多者：旋转元件、鼠标、键盘、轨迹球、链接到特定动作的硬键、可被配置为控制不同功能的软键，以及显示在显示设备118上的图形用户界面。

超声成像系统100还包括处理器116，该处理器用以控制发射波束形成器101、发射器102、接收器108和接收波束形成器110。处理器116与探头106进行电子通信(例如，通信地连接)。出于本公开的目的，术语“电子通信”可被定义为包括有线通信和无线通信两者。处理器116可根据存储在处理器的存储器、和/或存储器120上的指令来控制探头106以采集数据。处理器116控制元件104中的哪些是活动的以及从探头106发射的波束的形状。处理器116还与显示设备118进行电子通信，并且处理器116可将数据(例如，超声数据)处理成图像以显示在显示设备118上。根据实施方案，处理器116可包括中央处理器(CPU)。根据其他实施方案，处理器116可包括能够执行处理功能的其他电子部件，诸如数字信号处理器、现场可编程门阵列(FPGA)或图形板。根据其他实施方案，处理器116可包括能够执行处理功能的多个电子部件。例如，处理器116可包括从电子部件的列表中选择的两个或更多个电子部件，这些电子部件包括：中央处理器、数字信号处理器、现场可编程门阵列和图形板。根据另一个实施方案，处理器116还可包括解调RF数据并且生成表示回波信号的IQ数据对的复合解调器(未示出)。在另一个实施方案中，解调可在处理链中较早地执行。处理器116适于根据关于数据的多个可选超声模态来执行一个或多个处理操作。在一个示例中，可在扫描会话期间实时处理数据，因为回波信号被接收器108接收并且被传输到处理器116。出于本公开的目的，术语“实时”被定义为包括在没有任何有意延迟的情况下执行的程序。例如，实施方案可以7帧/秒至20帧/秒的实时速率采集图像。超声成像系统100可以显著更快的速率采集一个或多个平面的2D数据。然而，应当理解，实时帧率可取决于采集用于显示的每帧数据所花费的时间长度。因此，当采集相对大量的数据时，实时帧率可能较慢。因此，一些实施方案可具有明显快于20帧/秒的实时帧率，而其他实施方案可具有低于7帧/秒的实时帧率。数据可在扫描会话期间临时存储在缓冲器(未示出)中，并且在实时或离线操作中不太实时地处理。本发明的一些实施方案可包括多个处理器(未示出)，以处理根据上文所述的示例性实施方案由处理器116处理的处理任务。例如，在显示图像之前，可利用第一处理器来解调和抽取RF信号，同时可使用第二处理器例如通过扩充数据来进一步处理数据。应当了解，其他实施方案可使用不同的处理器布置。

超声成像系统100可以例如10Hz至30Hz的帧率(例如，每秒10帧至30帧)连续采集数据。根据数据生成的图像可在显示设备118上以相似的帧率刷新。其他实施方案可以不同速率采集和显示数据。例如，根据帧的尺寸和预期应用，一些实施方案可以小于10Hz或大于30Hz的帧率采集数据。包括存储器120，以用于存储经处理的采集数据的帧。在示例性实施方案中，存储器120具有足够的容量来存储至少等同几秒钟的超声数据帧。数据帧以便于根据其采集顺序或时间进行检索的方式存储。存储器120可包括任何已知的数据存储介质。

在本发明的各种实施方案中，处理器116可通过不同的模式相关模块(例如，B模式、彩色多普勒、M模式、彩色M模式、频谱多普勒、弹性成像、TVI、应变、应变速率等)来处理数据，以形成二维(2D)或三维(3D)数据。例如，一个或多个模块可生成B模式、彩色多普勒、M模式、彩色M模式、频谱多普勒、弹性成像、TVI、应变、应变速率以及它们的组合等。作为一个示例，一个或多个模块可处理彩色多普勒数据，该彩色多普勒数据可包括传统彩色血流多普勒、功率多普勒、HD流等。图像线和/或帧存储在存储器中，并且可包括指示图像线和/或帧存储在存储器中的时间的定时信息。这些模块可包括例如执行扫描转换操作的扫描转换模块，以将所采集的图像从波束空间坐标转换为显示空间坐标。可提供视频处理器模块，该视频处理器模块从存储器读取所采集的图像并且在对患者执行程序(例如，超声成像)时实时显示图像。视频处理器模块可包括单独的图像存储器，并且超声图像可被写入图像存储器以便由显示设备118读取和显示。

超声成像系统100包括被配置成实现剪切波弹性成像和/或应变弹性成像的弹性成像电路103。当处于剪切波模式时，弹性成像电路103可控制探头106以发射推动波束，用于在成像受检者(例如，患者)的感兴趣区域(ROI)内的部位处生成剪切波。弹性成像电路103可控制探头106(或更具体地是控制换能器元件104)，以朝向预定部位引导剪切波生成或推动脉冲以生成剪切波。另选地，弹性成像电路103可控制能够生成剪切波的另一设备，并且探头106可测量或跟踪剪切波穿过ROI时的速度。例如，弹性成像电路103可控制治疗换能器、机械致动器或音频设备以生成剪切波。虽然弹性成像电路103被示出为与存储器120和处理器116分开的电路，但是应当理解，弹性成像电路103可包括存储在存储器120中的指令，该指令可由处理器116执行以控制超声探头106生成用于弹性成像成像的推动波束。

当处于应变模式时，弹性成像电路103可控制探头106以在患者或ROI上产生机械力(例如表面振动、任意或阶跃准静态表面位移等)或辐射力，以测量患者ROI的刚度或应变。另选地，弹性成像电路103可控制能够在患者或ROI上产生机械力的另一设备。例如，可将低频机械振动器应用于皮肤表面，并且由探头106测量在下层组织上诸如在ROI上引起的压缩运动。

在本公开的各种实施方案中，超声成像系统100的一个或多个部件可以包括在便携手持式超声成像设备中。例如，显示设备118和用户接口115可被集成到手持式超声成像设备的外部表面中，该手持式超声成像设备可进一步含有处理器116和存储器120。探头106可包括与手持式超声成像设备进行电子通信以收集原始超声数据的手持式探头。发射波束形成器101、发射器102、接收器108和接收波束形成器110可包括在超声成像系统100的相同或不同部分中。例如，发射波束形成器101、发射器102、接收器108和接收波束形成器110可包括在手持式超声成像设备、探头以及它们的组合中。

在执行二维超声扫描之后，生成包括扫描线及其样本的数据块。在应用后端滤波器之后，执行称为扫描转换的过程，以将二维数据块变换为具有附加扫描信息(诸如深度、每条扫描线的角度等等)的可显示的位图图像。在扫描转换期间，应用内插技术来填充所得图像中的缺失的孔(即，像素)。出现这些缺失的像素是因为二维块的每个元素通常应该覆盖所得图像中的许多像素。例如，在当前超声成像系统中，应用了双三次插值，其利用了二维块的相邻元素。因此，如果与位图图像的尺寸相比，二维块相对较小，则扫描转换后的图像将包括分辨率差或分辨率低的区域，特别是对于深度较大的区域。

如先前所提及的，可控制具有由布置成线性、弯曲和/或二维阵列的多个换能器元件(例如，压电元件)构成的换能器的超声探头(诸如图1的超声探头)以发射具有期望的轴向压力剖面的非衍射声学波束。非衍射声学波束可被成形为具有针对不同剪切波成像需要的期望的波束长度和波束深度，以及被成形为用于B模式图像、多普勒图像等。此外，利用波束成形方法的灵活能力，可补偿材料中的声学衰减，从而导致可实际上在期望的位置处生成声学辐射力的更精确的波束剖面。

如本文所用，超声换能器(或简称为换能器)可指多个超声换能器元件，该多个超声换能器元件各自能够具有限定的压力和相位。在一些示例中，超声换能器可包括超声探头的每个换能器元件。在其他示例中，超声换能器可包括少于超声探头的所有换能器元件。在更进一步的示例中，超声探头可包括或被分割成多个超声换能器以使得能够同时发射多个非衍射声学波束。因此，可基于特定成像需要或非衍射声学波束的期望位置来灵活地定义超声换能器。

图2示出了根据本公开的用于形成非衍射波束的波束成形过程200的示意图。在图2和其余附图中，x轴是换能器的侧向轴，例如，换能器元件沿着其布置的轴，z轴是轴向轴(例如，非衍射声学波束的传播轴)，并且y轴是仰角轴并且正交于z轴和x轴中的每一者。任意轴向压力剖面202(例如，沿着波束的z轴/传播路径的声学压力，其是相对于超声换能器的轴向方向)可被扩展为具有对应权重的各种对准的声学波束分量的叠加。例如，具有轴向压力剖面202的非衍射声学波束可由多个声学波束分量(诸如第一声学波束分量204、第二声学波束分量206、第三声学波束分量208等)形成。每个声学波束分量可以是贝赛耳波束，并且每个声学波束分量可具有不同轴向声学剖面。每个声学波束分量包括相应权重(例如，第一声学波束分量204包括第一权重α1，第二声学波束分量206包括第二权重α2等)。

使用单个声学换能器同时产生贝塞尔波束是具有挑战性的。与使用多个透镜和光掩模的组合生成的传播不变激光束不同，声学传播不变波通常具有较窄的空间频率带宽，对应于有限的调制能力。产生声学传播不变波的线性阵列换能器具有相对低的频率带宽和比光学波更大的元件大小。因此，可使用复用技术来生成具有本文所述的期望的特征的非衍射声学波束。

可确定每个声学波束分量的复变函数，包括实部(例如，实部210)和虚部(例如，虚部212)，并且可将复变函数内插到超声探头的换能器的分辨率(例如，元件大小)。非衍射声学波束可通过复用(例如，求和)经内插的复变函数来生成，每个经内插的复变函数根据其相应权重来加权。

因此，用于生成具有期望的轴向压力剖面的非衍射声学波束的过程包括将单个声学波束分离成具有不同波数的多个波束。可灵活地定义各个波束。然而，这些各个波束的叠加受到期望的轴向压力剖面的约束。最终声学波束压力(p(x,y,z,t))是声学波束分量的压力的叠加，使得p(x,y,z,t)＝Σp_n(x,y,z,t)。具有任意压力剖面的单个非衍射声学波束包括具有不同波数和权重的0阶贝塞尔波束。因为归一化贝塞尔波束在原点(即，J₀(0)＝1)处等于1，所以在x＝0处的轴向声学压力等于由所有组成声学波束贡献的压力的总和并且独立于它们的相位分布。期望的声学波束剖面(例如，轴向压力剖面)可通过利用傅立叶级数展开而被展开为多个0阶贝塞尔波束。傅里叶级数的所计算的系数被指派为针对每个贝塞尔波束/声学波束分量的相应权重。如本文所用，贝塞尔波束是具有由第一种类的贝塞尔函数描述的幅度的波，并且是非衍射的(至少在一定距离上)波。0阶贝塞尔波束是在原点处(例如，在超声换能器处)具有幅度最大值的贝塞尔波束。

声学波束分量可被映射到换能器的分辨率。具有最高横向空间频率的波束与利用换能器的总空间带宽的元件大小对准(k_x,max＝2π/Δx，其中Δx是阵列节距)，以产生同时具有不同波数的多个声学波束。具有较小空间频率(例如，较大元件大小)的其他波束将多个组合元件视为具有指派给每个子元件的相同压力和相位的较大有效“元件”的子元件。因此，复用的一般过程首先确定对应于最大可用空间频率的每个0阶贝塞尔波束(具有等于横向波数的系数的贝塞尔函数)。利用不同元件编号计算多贝塞尔函数(例如，在轴中的坐标的数量)。然后，进行样条内插以将每个贝塞尔函数内插到换能器元件的位置。最后的步骤是对针对每个分量的贝塞尔函数进行加权并对该组函数进行求和。该方法使得能够复用一组贝塞尔波束并且生成可被指派给每个换能器元件的复值。这种复用方法的优点在于元件尺寸不必是元件大小的整数倍，因为内插过程确保了针对每个元件的适当对准值。因此，可选择具有更精细波数增量的更多贝塞尔波束以获得更好指定的非衍射声学波束。

一旦计算每个元件的复值e_m＝A_me^iφm，就可获得针对线性阵列换能器的元件的幅度和相位的分布。最终压力量值和相位可被转移到线性阵列的切趾和延迟函数以生成非衍射波束，其中切趾函数是归一化压力分布，并且延迟函数是解卷绕相位分布。通过根据基于延迟函数和切趾函数的延迟值和切趾值来控制每个换能器元件，可控制超声探头以发射非衍射声学波束。例如，可向每个换能器元件发送电信号，该电信号被延迟了针对该换能器元件的延迟值并且具有基于针对该换能器元件的切趾值的电压。图3示出了由一组加权的贝塞尔函数的相干求和产生的声源上的每个像素的幅度和相位分布。2D设计可通过沿着声源平面的原点旋转该声源平面而扩展到3D非衍射声学波束，这给出压力和相位的2D分布。因此，如图3所示，声源(例如，超声换能器)可具有产生非衍射声学波束306的幅度分布302和相位分布304。非衍射声学波束306被表示为声学压力场，其中较浅颜色区域指示相对于较深颜色区域增加的压力，并且在第一位置中具有预定义的压力剖面。锯齿形高压力区域作为“隔离的”和传播不变的效果是明显的。因为一组贝塞尔波束形成非衍射声学波束306，所以它具有非衍射属性并且通过波干涉显著地减小期望的高压力区域之外的压力。

图4示出了可使用本文所公开的ADAPT方法创建的各种非衍射声学波束400的正交切片。非衍射声学波束可根据需要被压缩、拉伸和划分成不同的形状。例如，图4示出了短波束402、长波束404和双波束406。图4中的每个波束被示出为具有跨zx平面和zy平面的切片的声学压力场，以在3D中示出波束。示出了三个示例，其呈现了通过本文所公开的ADAPT方法形成的不同波束剖面，其中高压力区域被柔性地拉伸、压缩或划分。这些结果示出了本文所述的ADAPT方法如何能够在具有任意纵向压力剖面的扩展高压力区域的不同轴向位置处生成非衍射声学波束。同样，图13示出了通过本文所公开的方法形成的多个非衍射声学波束1300，其中非衍射声学波束在长度(其限定了波束相对于换能器的轴向/纵向起点和端点)和深度(其限定了波束相对于换能器的轴向中心点)上增加。

图5示意性地示出了用于经由波束复用利用单个声学换能器生成非衍射声学波束的示例性过程500。示出了超声探头502的示意图，包括线性阵列换能器504，该线性阵列换能器包括多个换能器元件，该多个换能器元件各自具有可控压力和相位。切趾函数506和延迟函数508可被指指派给换能器504。切趾函数506可定义要应用于换能器504的每个换能器元件的切趾值，该切趾值沿着切趾函数506的x轴被指示。最中心的换能器元件被指派编号0，而0右边的元件被定位成与中心相距正距离，并且0左边的元件被定位成与中心相距负距离。同样，延迟函数508可定义待应用于换能器504的每个换能器元件的延迟值(这里以波长示出)。

图5也包括叠加的压力曲线510和叠加的相位曲线512，该叠加的压力曲线和该叠加的相位曲线分别是从经由复用获得的每个元件的复值确定的换能器504的元件的幅度和相位的分布，其可分别作为切趾函数506和延迟函数508被指派给声学换能器，其中切趾函数是归一化压力分布并且延迟函数是解卷绕相位分布。图6示出了具有沿着轴向中心线的局部压力分布的示例性非衍射声学波束的声场602，以及非衍射声学波束的横向压力分布604(例如，沿着x轴/水平中心线)和纵向压力分布606(例如，沿着z轴/轴向中心线)，其可跨越整个感兴趣区域。通过在沿着z轴与换能器间隔开的距离(这里，2cm的距离；z＝2)处测量沿着x轴的压力来获得横向压力分布604，并且通过在轴向中心线处(例如，在x＝0处)沿着z轴测量压力来获得纵向压力分布606。

如先前所提及的，非衍射声学波束可用作推动波束以在感兴趣组织中生成剪切波，用于剪切波弹性成像成像。生成与在介质中传播的声波的动量的变化率成比例的声学辐射力。在波传播的方向上施加力，并且每单位体积的力的幅度可从F＝2αI/c估计，其中是介质的吸收系数，是给定位置处的时间平均声学强度，并且是介质中的声速。ARFI产生推动波束，该推动波束激发遵循声学波束剖面的瞬态侧向传播剪切波。剪切波速度与介质的弹性属性直接相关，这提供了评估人体组织的刚度的有效方式。虽然传统的ARFI使能的剪切波生成和成像使用聚焦波束，但是本文所公开的非衍射波束在软组织中生成改善的剪切波。图7示出了基于非衍射声学波束的ARFI推动波束，其具有在模拟组织体模内部生成的不同波束长度和从推动波束生成的对应剪切波。图7具体示出了对于第一非衍射声学波束702、第二非衍射声学波束704和第三非衍射声学波束706，与针对非衍射声学波束(在图7中标记为ADAPT)的声场重叠的生成的剪切波的位移-时间剖面。三个非衍射声学波束的中心深度为20mm，并且波束长度分别为5mm、15mm和40mm。使用平面波复合方法来记录用于瞬态剪切波运动捕获的同相/正交(I/Q)数据，并且应用葛西自相关算法来计算针对生成的剪切波的位移-时间剖面。在图7中，非衍射声学波束声场与实验测量的剪切波剖面(即在特定时间帧的位移图)重叠。需注意，剪切波剖面以更长的纵向波束长度延伸，并且穿透深度增加，这验证了预期的非衍射声学波束剖面。因此，产生非衍射声学波束的ADAPT过程能够通过声学辐射力在弹性介质中引起剪切波。利用非衍射声学波束的各种波束长度，可产生具有不同波剖面的剪切波。

图8示出了用于使用根据ADAPT过程生成的非衍射声学波束来进行超声成像的方法800。参考图1的系统和部件描述方法800，但是应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，方法800可用其他系统和部件来实现。方法800可根据存储在计算设备的非暂态存储器(诸如存储器120)中的指令来执行，并由计算设备的处理器(诸如处理器116)执行。

在802处，方法800包括获得扫描协议和换能器配置。扫描协议可包括在成像受检者(例如，患者)的扫描期间超声探头将在其下操作的一个或多个采集模式。示例性采集模式可包括B模式、M模式、多普勒、剪切波弹性成像成像等。扫描协议还可包括与成像受检者相关的信息(例如，身高、体重)以及在成像受检者的扫描期间要成像的一个或多个感兴趣区域。扫描协议可经由用户输入获得(例如，超声系统的用户可输入指定扫描协议的一个或多个或每个参数的输入并且/或者用户可从菜单选择预定义的扫描协议)或基于成像受检者的信息自动获得。可从扫描协议和/或经由用户输入(例如，用户可从菜单或经由超声探头上的控制按钮选择期望的采集模式)确定超声探头当前正在以其操作的采集模式。

换能器配置可指定超声探头的超声换能器的物理特性，诸如超声换能器的频率(f)、构成超声换能器的换能器元件的数量(n)、每个换能器元件沿着超声换能器的x轴的坐标(x)、以及每个换能器元件的尺寸(dx)(例如，每个元件沿着x轴的宽度)。可基于联接到超声系统的超声探头的类型来确定换能器配置，这可经由用户输入、经由扫描协议和/或经由与超声探头的通信来获得。

在804处，方法800包括确定待由超声探头发射的非衍射声学波束的目标轴向压力剖面。目标轴向压力剖面可从扫描协议或经由用户输入获得。当以剪切波弹性成像成像模式成像时，目标轴向压力剖面可以是由波束长度和波束中心定义的方波函数。然而，其他采集模式可利用其他轴向压力剖面，并且可确定任何期望的轴向压力剖面。示例性目标轴向压力剖面在图17中示出。其中，示出了第一目标轴向压力剖面1702和第二目标轴向压力剖面1704。每个目标轴向压力剖面被描绘为沿着侧向和轴向尺寸的归一化压力。在一些示例中，第一目标轴向压力剖面1702可用于生成用于剪切波弹性成像(SWE)成像的非衍射声学波束(例如，用于生成剪切波的推动波束)，而第二目标轴向压力剖面1704可用于生成用于B模式成像的非衍射声学波束。对于SWE，目标轴向压力剖面可具有适度的波束长度，以便为剪切波提供足够幅度。对于B模式，通常目标轴向压力剖面可具有较长波束长度和较低旁瓣，如图17所示。

在806处，基于目标轴向压力剖面和换能器配置来确定切趾函数和延迟函数。关于确定切趾函数和延迟函数的附加细节在下面关于图9呈现。简而言之，非衍射声学波束可由各自具有不同的波数的多个叠加的非衍射声学波束分量构成。针对每个非衍射声学波束确定复变函数，该复变函数被加权、被内插到换能器的换能器元件的位置并且被求和。从针对每个换能器元件的复变函数确定针对换能器元件的幅度和相位的分布，该复变函数用于确定切趾函数和延迟函数。

在808处，基于切趾函数和延迟函数来控制换能器，以便发射非衍射声学波束。在一些示例中，为了基于切趾函数和延迟函数来控制换能器，相应电信号可被发送到换能器的每个换能器元件，并且每个相应电信号可被延迟基于延迟函数的相应延迟值并且具有由基于发射延迟函数的相应切趾值定义的幅度(例如，电压)。在其他示例中，可将切趾函数编码到延迟函数中以形成经编码的延迟函数(其在下面关于图9更详细地解释)。在此类示例中，为了控制换能器，可将相应电信号发送到换能器的每个换能器元件，并且每个相应电信号可被延迟基于经编码的延迟函数的相应延迟值(并且每个电信号可具有相同电压)。

在810处，在换能器处接收回波。如以上关于图1所解释的，非衍射声学波束从成像受检者/ROI内的结构反向散射以产生返回到超声探头的换能器元件的回波；如果非衍射波束用于生成剪切波，则接收到的回波可由传播的剪切波生成。回波被换能器元件转换成电信号，并且电信号被处理(例如，放大、数字化、延迟、求和)并存储在存储器中。

在812处，非衍射声学波束的发射和回波接收可如采集模式和/或扫描协议所规定的那样重复一次或多次。在一些示例中，如在814处指示的，非衍射声学波束的波束轴可被引导以便跨待成像的ROI发射非衍射声学波束并且获得足够超声数据以生成图像(其在一些示例中可以是弹性图)。为了引导波束轴，发送到换能器元件以产生给定非衍射声学波束的电信号可被延迟(例如，除了用于形成具有目标轴向压力剖面的非衍射声学波束的延迟之外)，用于以期望的角度引导波前。在一些示例中，在剪切波弹性成像成像期间，在非衍射声学推动波束的发射之后，可使用例如平面波复合方法(例如，三个角度：-3°、0°和3°)来进行剪切波的跟踪。

在816处，根据从接收到的回波生成的超声数据生成图像。根据采集模式，图像可以是B模式图像、多普勒图像、2D或3D弹性成像图像(例如，弹性图)或另一个图像。B模式图像可以是2D B模式图像、3D B模式图像或4D B模式图像(例如，电影循环/视频)。可从接收自发射的非衍射声学波束的回波生成的其他示例性图像包括彩色流图像和造影剂增强图像。对于剪切波弹性成像，图像可以是弹性图，其是ROI中的剪切波的速度的图，其中速度由颜色指示。在818处，将图像保存在存储器中和/或显示在显示设备上。当图像是弹性图时，图像可被显示在ROI的B模式图像上或旁边。

应当理解，不必在每次发射非衍射声学波束时都生成延迟函数和切趾函数。相反，用于多个不同目标轴向压力剖面的切趾函数和延迟函数(或另选地，经编码的延迟函数)可被预先确定(根据图9的方法，如下所述)并存储在存储器中。然后，在扫描期间，可基于由扫描协议规定的目标轴向压力剖面以及用于成像并用于生成非衍射声学波束的换能器的配置，从存储器检索切趾函数和延迟函数(或经编码的延迟函数)。当应用衰减补偿时，可基于材料的衰减来修改检索的切趾函数和延迟函数(或检索的经编码的延迟函数)，如下所述，或者可针对公共衰减系数预先确定各种衰减补偿的切趾函数和延迟函数(或另选地，经编码的延迟函数)并将其存储在存储器中。

图9示出了用于确定用于生成非衍射波束的切趾函数和延迟函数的方法900。参考图1的系统和部件描述方法900，但是应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，方法900可用其他系统和部件来实现。方法900可根据存储在计算设备的非暂态存储器(诸如存储器120)中的指令来执行，并由计算设备的处理器(诸如处理器116)执行。在一些示例中，方法900可作为方法800的一部分来执行，例如可在方法800的806处执行。因此，方法900可基于针对非衍射声学波束的目标轴向压力剖面并且基于换能器的配置来确定切趾函数和延迟函数，如以上关于图8所解释的。

在902处，计算非衍射声学波束分量的总数。如先前所解释的，非衍射声学波束可由多个叠加的非衍射声学波束分量构成。为了确定有多少非衍射声学波束分量将被叠加以形成非衍射声学波束，确定非衍射声学波束分量的总数，这可基于针对待发射的非衍射波束的目标轴向压力剖面并且基于换能器的频率。

当生成用于剪切波弹性成像的非衍射声学波束时，目标轴向压力剖面可以是具有长度(被称为波束长度BL)和中心(被称为波束中心BC)的方波。轴向压力剖面f(z)可以是根据以下等式(使用0.1mm作为轴向分辨率，虽然其他分辨率也是可能的)确定的轴向栅格z的函数：

因此，轴向栅格z可从0到非衍射声学波束的最大轴向深度L以0.1mm的增量来限定，其基于波束长度和波束中心，使得最大轴向深度L可根据以下等式来计算：

在一些示例中，对于f(z)＝1。如上所解释的，轴向压力剖面可以是方波(对于整个波束长度具有相同压力)，但是在不脱离本公开的范围的情况下，其他压力剖面也是可能的。

非衍射声学波束的总数(bn)可基于以下等式来确定：

因此，非衍射声学波束的总数量(bn)是非衍射声学波束的最大轴向深度L、换能器的频率(f)和声速(c)的函数。声速可基于待成像的目标组织/材料来估计，或者声速可以是默认声速，诸如在超声成像中通常使用的1540m/s。频率可以是当发射非衍射声学波束时探针将以其操作的选择的频率。以这种方式，对于增加最大轴向深度的非衍射声学波束，非衍射声学波束的总数可增加。例如，返回参考图4，短波束402可具有比长波束404的最大轴向深度更小的最大轴向深度。当短波束402的轴向压力剖面被扩展到多个非衍射声学波束分量时，非衍射声学波束分量的总数可小于当长波束404的轴向压力剖面被扩展到多个非衍射声学波束分量时计算的非衍射声学波束分量的总数(假设相同换能器和传播介质)。

在904处，针对每个非衍射声学波束分量计算侧向波数、轴向波数和元件大小。可基于换能器的频率、非衍射声学波束将传播通过的介质的声速、目标轴向压力剖面以及非衍射声学波束分量的总数来计算每个轴向波数。在下面更详细解释的一些示例中，轴向波数也可考虑非衍射波束将传播通过的介质的衰减。可基于对应轴向波数来计算每个横向波数(例如，对于第一非衍射声学波束分量，可计算轴向波数，并且可基于针对第一非衍射声学波束分量的轴向波数来确定针对第一非衍射声学波束分量的侧向波数)。侧向波数和轴向波数的计算基于针对非衍射声学波束的波数k，该波数可根据以下等式基于换能器的频率f和声速c来确定：

每个轴向波数k_z可根据以下等式来确定：

因此，第一轴向波数可等于并且每个附加轴向波数可通过针对每个后续轴向波数将向上递增1的值直到达到来计算，用于计算最终的轴向波数。

根据以下等式，每个侧向波数(k_x)基于k、对应的k_z和轴向波数的基线(Q)来确定：

其中Q＝k-max(k_z) (等式6)

针对每个非衍射声学波束分量的元件大小可基于针对该非衍射声学波束分量的侧向波数来确定。每个侧向波数对应于换能器的一个元件大小。换句话讲，每个非衍射声学波束分量可被指派基于该非衍射声学波束分量的侧向波数的相应元件大小。针对非衍射波束分量的元件大小(dx')不同于(并且不必等于)很对每个换能器元件(dx)的元件大小/尺寸。例如，每个元件大小(dx')可根据以下等式来确定：

在906处，方法900任选地包括通过计算复侧向和轴向波数来补偿非衍射声学波束将要传播通过的介质的衰减。是否要补偿衰减的确定可基于扫描协议、用户输入或另一种合适的机制。如果要补偿衰减，则可根据以下等式计算侧向波数：

在上述等式8中，α是可基于非衍射声学波束将在其中传播的介质来确定的衰减系数。

当补偿衰减时，轴向波数可根据以下等式计算：

在908处，计算每个非衍射声学波束的系数。每个系数可以是将在非衍射声学波束分量的复用期间使用的复权重，并且可基于对应侧向波数来确定。例如，每个非衍射声学波束分量的系数(A(n))可根据以下等式计算：

每个非衍射声学波束分量的系数(A(n))可通过进行设计的轴向压力剖面的傅立叶级数展开来计算，该设计的轴向压力剖面用于识别每个非衍射声学波束分量的权重。在上面的等式10中，n表示每个非衍射声学波束分量的折射率(n∈[1,bn])，f(z)表示设计的轴向压力剖面，并且L表示计算中的最大轴向深度。因此，每个非衍射声学波束分量的复权重(n∈[1,bn])可基于非衍射声学波束的最大轴向深度L和非衍射声学波束的轴向压力剖面f(z)来确定。通过计算设计的轴向压力剖面的傅立叶级数展开来获得复权重。

在910处，针对每个非衍射声学波束分量计算复变函数(也被称为复波束函数)。每个复变函数可基于相应复权重、相应侧向波数以及用于该非衍射声学波束分量的相应侧向栅格(其中侧向栅格具有用于该非衍射声学波束分量的元素大小的分辨率)。侧向栅格可由dx′:x′＝min(x):dx′:max(x)定义，其中x′是具有空间分辨率dx′的侧向栅格坐标。这是换能器侧向坐标的空间重新采样。侧向栅格因此可将换能器的侧向范围划分为具有大小dx'的增量，并且可针对每个非衍射声学波束分量确定相应侧向栅格(因为每个非衍射声学波束分量具有不同dx')。在一些示例中，针对每个非衍射波束分量的复变函数p_n(x')可根据以下等式来计算：

p_n(x′)＝A(n)J₀(k_xx′) (等式11)

因此，基于针对给定非衍射声学波束分量的系数(例如，复权重)和针对给定非衍射声学波束分量的侧向波数来计算针对给定非衍射声学波束分量的复变函数。在上述等式中，J_0(x)是0阶贝塞尔函数，其是贝塞尔等式的0阶解的常用表示法。0阶贝塞尔函数可表示为：

因此，对于每个非衍射声学波束分量，复变函数可将压力指派给侧向栅格的每个元件。

在912处，将每个复变函数内插到超声换能器的元件大小(例如，宽度/侧向尺寸)。如上所解释的，每个非衍射声学波束分量被指派元素大小dx'。元素大小dx'可大于或小于超声换能器的每个换能器元件的实际大小。因此，可进行内插(诸如样条内插)以将复变函数的元件大小与超声换能器元件大小对准。该内插可产生针对每个非衍射声学波束分量的内插的复变函数p_n(x)。因此，对于每个非衍射声学波束分量，内插的复变函数可向每个超声换能器元件指派压力。

在914处，对内插的复变函数进行求和以形成非衍射声学波束函数(p)，其根据以下等式指定每个换能器元件的压力：

p＝sum(p_n(x)) (等式13)

在916处，方法900确定是否要通过调制超声换能器的切趾和延迟两者来进行非衍射声学波束，或者是否要进行仅延迟调制。是否要进行仅延迟调制的确定可基于扫描协议或用户输入。切趾(例如，压力调制)针对每个换能器元件指定不同电压脉冲。一些类型的非衍射声学波束，诸如用作剪切波感应的推动波束的非衍射声学波束，可能需要更高的电压以产生更高的剪切波幅度，并且从而感应更好的剪切波信号。然而，诊断超声成像系统的声学输出被约束到由管理机构设定的最大输出。基于ADAPT的压力切趾可能需要超声换能器元件之间的相当大的电压差，例如，将相对非常高的电压施加到中心换能器元件并且将相对非常低的电压施加到外围换能器元件。保持高电压足够低以防止超过中心换能器元件的最大输出或电压容差可能导致施加到外围换能器元件的低电压以生成不足以用于高质量成像的压力。因此，可使用仅延迟调制来生成一些类型的非衍射波束，其中发送到换能器元件的每个电信号的幅度(例如，电压)是相同的，并且在换能器元件之间仅调制延迟值。

如果将不进行仅延迟调制，则方法900进行到918以确定切趾函数(a)，该切趾函数是求和的内插的复变函数的绝对值(例如，非衍射声学波束函数p的绝对值)，使得a＝abs(p)。切趾函数可指定发送到每个换能器元件的每个电信号的幅度。在920处，确定延迟函数(d)，该延迟函数为求和的内插的复变函数的解卷绕相位(例如，非衍射声学波束函数p的解卷绕相位)，使得延迟函数可指定用于延迟发送到换能器元件的每个电信号的延迟值。因此，当超声探头被控制以发射非衍射声学波束(例如，在方法800的808处)时，相应电信号被发送到每个换能器元件，并且每个电信号具有由切趾函数限定的幅度(例如，电压)并且被延迟由延迟函数限定的量。

如果在916处确定要进行仅延迟调制，则方法900进行到922以将切趾函数编码成延迟函数以形成经编码的延迟函数。为了将切趾函数编码成延迟函数，基于欧拉公式将非衍射声学波束函数p分解为两相函数的总和。非衍射声学波束函数p具有可通过应用反余弦被编码成相位值的归一化幅度。由非衍射声学波束函数p定义的针对给定换能器元件的压力值被划分成两个子元件并且被表达为相位信息。整个换能器(例如，所有换能器元件)被划分成具有交错元件的两个子孔。每两个连续元件包括原始复压力信息(例如，来自非衍射声学波束函数p)，而压力幅度值是相同的。最终声场由两个子孔生成的场的叠加形成。利用该编码方法，可产生具有均匀切趾值和交错锯齿状相位函数的基于ADAPT的波束。仅相位方法可用于任何线性阵列换能器以消除关于元件电压限制的顾虑。

因此，将切趾函数编码成延迟函数可包括将第一经编码的延迟函数指派给换能器的第一子孔，如924处所示。第一子孔可包括奇数编号的换能器元件(例如，换能器元件1、换能器元件3等)并且不包括任何偶数编号的换能器元件。用于第一子孔的第一经编码的延迟函数可根据以下等式来定义：

将切趾函数编码成延迟函数还可包括将第二经编码的延迟函数指派给换能器的第二子孔，如926处所示。第二子孔可包括偶数编号的换能器元件(例如，换能器元件2、换能器元件4等)并且不包括任何奇数编号的换能器元件。用于第二子孔的第二经编码的延迟函数可根据以下等式来定义：

以这种方式，延迟函数可基于求和的内插的复波束函数的绝对值加上或减去求和的内插的复波束函数的解卷绕相位的反余弦。因此，当超声探头被控制以发射非衍射声学波束(例如，在方法800的808处)并且进行仅延迟调制时，相应电信号被发送到每个换能器元件并且每个电信号具有相同幅度(例如，电压)并且被延迟由第一经编码的延迟函数或第二经编码的延迟函数限定的量。

图10示出了组织衰减和补偿对非衍射声学波束的声学压力的影响。当声波在介质中传播时，其经历由沿着传播路径的散射和吸收引起的衰减。尽管如本文所述的基于ADAPT的非衍射声学波束保留贝塞尔波束的非衍射特征，但是衰减可改变期望的波束剖面并且潜在地“离焦”声学波束。在常规的聚焦推动波束剪切波成像中，衰减缩短了剪切波生成的有效区域并且降低了更深区域中的剪切波的信噪比(SNR)。此外，剪切波幅度在感兴趣区域中变得不均匀，这导致成像误差。因此，可使用ADAPT来补偿衰减，以在更大深度处维持期望的波束剖面。基于ADAPT的衰减补偿首先考虑用于声波的有损亥姆霍兹等式：其中波数是包含衰减的复数：k′＝k+iα。因此，亥姆霍兹等式的阻尼平面波解可获得为：p＝p₀e^-αze^i(kz-ωt)，其中衰减系数被嵌入。因为基于ADAPT的波束可被认为是多个平面波的干涉(角谱表示)，所以ADAPT波束成形过程可利用复数k′来进行以补偿介质中的衰减。如以上关于图9所解释的，对于单个贝塞尔波束：p(x,z)＝J₀(k_xx)e^ikzz，将纵向波数和横向波数代入用于衰减的复矢量中。然后，计算并复用每个贝塞尔波束和对应权重以形成衰减补偿的非衍射声学波束。

图10描绘了三个数值模拟场景以示出衰减补偿的效果。轴向中心线压力分布的第一声场1002和对应第一曲线1004描绘了一个示例，其中第一非衍射声学波束在有衰减并且没有进行补偿的情况下在介质中传播；无衰减非衍射波束具有以20mm为中心的高强度区域。轴向中心线压力分布的第二声场1006和对应第二曲线1008示出了第二非衍射波束(具有与第一非衍射声学波束相同的剖面)的示例，该第二非衍射波束在具有衰减(但没有补偿)的情况下在介质中传播，使得当包括衰减时，峰值强度移动更靠近换能器～2.5mm。如由轴向中心线压力分布的第三声场1010和对应第三曲线1012所示，当第三非衍射声学波束(具有与第一波束和第二波束相同的剖面)在具有衰减和施加对衰减的补偿的情况下在介质中传播时，第三非衍射声学波束保留峰值强度的原始轴向位置，并且能量围绕波束中心更均匀地分布。

图11示意性地描绘了用于进行仅延迟调制的过程1100。如以上关于图9所解释的，进行仅延迟调制包括将超声换能器(在图11中示意性地示出为声学换能器1102)划分成两组交错元件并且将相应经编码的延迟函数应用于每组元件。两个连续元素形成总元件1104，该总元件被划分为第一子元件1106和第二子元件1108，其中第一经编码的延迟函数(p₁)用于将延迟值指派给第一子元件1106，并且第二经编码的延迟函数(p₂)用于将延迟值指派给第二子元件1108，并且其中第一子元件1106和第二子元件1108中的每一者具有相同压力/幅度。

用于仅延迟调制的元件划分的示意图1110也在图11中示出，具有孔的每个部分的对应声学压力。整个孔被划分成具有交错元件的两个子孔，包括第一子孔1112和第二子孔1114。每个子孔可形成非衍射声学波束的一部分，并且然后子孔被叠加以将最终非衍射声学波束成形。应当理解，第一子孔1112中的有源元件是第二子孔1114中的非有源元件，并且反之亦然。示出了通过仅延迟调制获得的非衍射声学波束的模拟声场1116，包括在延迟调制之前和之后的切趾(在曲线1118中示出)和延迟(在曲线1120中示出)的比较。切趾的信息被编码到具有锯齿分布的延迟函数中。

图12示出了当在剪切波成像中使用时的仅延迟调制的结果，其包括相对于利用传统聚焦波束生成的弹性图利用非衍射声学波束生成的弹性图。如图12所示以及下面解释的，与聚焦波束相比，非衍射声学波束产生更好的对比度噪声比(CNR)和更准确的平均剪切波速度(SWS)估计。为了生成弹性图，将圆柱形内含物嵌入到体模中，其中内含物具有与体模的周围介质不同的刚度值。体模与换能器之间的距离被改变以对不同深度处的内含物进行成像，如在1202处示意性示出的。使用换能器与体模内含物之间的两个距离(15mm和20mm)；对应非衍射声学波束(作为推动波束)用于两个距离(例如，其中波束中心等于内含物深度，其中波束长度为20mm)。此外，配置两个不同聚焦波束聚焦区中心，并与具有相同波束中心的非衍射声学波束进行比较。如弹性图1204所示(比例尺：2mm)，在聚焦波束与非衍射声学波束之间比较内含物描绘性能。聚焦波束剪切波图像描绘了圆柱形内含物的更椭圆的形状，而对于聚焦波束仅良好描绘了一个位置。当聚焦波束中心处于与内含物中心不同的深度时，内含物的描绘是不完整的。相比之下，针对两个相对位置和两个波束中心使用非衍射声学推动波束描绘内含物产生与圆柱形内含物的圆形横截面一致的圆形形状。计算内含物内部的CNR和SWS，并在使用聚焦波束和非衍射声学波束的情况之间进行比较，如曲线1206所示。基于非衍射声学波束的剪切波提供更接近两个内含物深度处的内含物的校准值的更好的CNR和内含物SWS估计。这些结果指示，使用ADAPT生成的非衍射声学波束可显著改善ARFI剪切波成像，并且其生成的感应的准圆柱形剪切波可更好地描绘具有与其周围不同的刚度值的组成分量。

本文所述的非衍射声学波束可利用各种不同的换能器配置来生成。作为一个示例，可利用用于形成非衍射声学波束的不同数量的换能器元件来生成具有选择的轴向压力剖面的非衍射声学波束。图14示出了全部具有相同轴向压力剖面并且利用不同换能器元件产生的四个示例性非衍射声学波束。被示出为声场的第一非衍射声学波束1402可通过应用第一切趾函数1404和第一延迟函数1406来形成。第一切趾函数1404和第一延迟函数1406可基于针对第一非衍射声学波束1402的目标轴向压力剖面和换能器的配置来确定，该换能器在该示例中包括第一数量的换能器元件(例如，192个元件)。

被示出为声场的第二非衍射声学波束1408可通过应用第二切趾函数1410和第二延迟函数1412来形成。第二切趾函数1410和第二延迟函数1412可基于针对第二非衍射声学波束1408的目标轴向压力剖面(其与针对第一非衍射声学波束的目标轴向压力剖面相同)和换能器的配置来确定，该换能器在该示例中包括第二数量的换能器元件(例如，96个元件)。

被示出为声场的第三非衍射声学波束1414可通过应用第三切趾函数1416和第三延迟函数1418来形成。第三切趾函数1416和第三延迟函数1418可基于针对第三非衍射声学波束1414的目标轴向压力剖面(其与针对第一非衍射声学波束的目标轴向压力剖面相同)和换能器的配置来确定，该换能器在该示例中包括第三数量的换能器元件(例如，48个元件)。

被示出为声场的第四非衍射声学波束1420可通过应用第四切趾函数1422和第四延迟函数1424来形成。第四切趾函数1422和第四延迟函数1424可基于针对第四非衍射声学波束1420的目标轴向压力剖面(其与针对第一非衍射声学波束的目标轴向压力剖面相同)和换能器的配置来确定，该换能器在该示例中包括第四数量的换能器元件(例如，24个元件)。

图15示出了利用相同换能器同时生成的多个非衍射声学波束的示例。具体地，图15示出了用于三个非衍射声学波束的声场1502、用于生成三个非衍射声学波束的切趾函数1504、以及用于生成三个非衍射声学波束的延迟函数1506。因此，可同时生成不同波束深度和波束长度的多个非衍射声学波束。

图16示出了利用分裂孔生成的示例性非衍射声学波束。具体地，图16示出了用于非衍射声学波束的声场1602、用于生成非衍射声学波束的切趾函数1604、以及用于生成非衍射声学波束的延迟函数1606。可通过将换能器的中心的换能器元件指定为非有源元件来形成分裂孔。

因此，本文公开了一种发射波束成形方法，称为ADAPT，用于生成传播不变声学波束(被称为非衍射声学波束)。基于ADAPT的波束可被成形为在延伸的轴向距离上具有任意纵向压力分布。基于ADAPT的波束可使用利用贝塞尔波束复用的单个线性阵列换能器来生成。这种波束生成方法提供了用于控制纵向声能的高自由度。ADAPT方法可针对各种应用进行优化。基于ADAPT的波束的非衍射性质准许通过在波束成形过程中并入衰减系数来补偿声穿透材料中的声学衰减和衍射。因此，声学波束可在传播期间有效地保持期望的波束剖面。最后，ADAPT的仅相位/延迟版本允许均匀的压力/切趾，并且使得超声系统能够保持低于最大电压和输出压力限制。ADAPT可用于其中压力调制不可用的声学系统中，并且它可显著降低波束成形的复杂度。

ADAPT波束成形可应用于ARFI剪切波成像，其具有很大的潜在临床价值，例如用于疾病诊断、治疗监测和治疗计划。ARFI剪切波成像显示组织剪切模量分布，可跟随组织刚度随时间的变化，并且可映射异常区域的位置和形状。大多数当前剪切波成像使用经典的聚焦波束方法来生成用于ARFI剪切波弹性成像的推动波束。尽管它可聚焦声能，但是高度局部化的剪切波推动波束可在宽的成像区域中产生误差并且难以产生组织的刚度的概览。标准非衍射贝塞尔波束具有从声源的表面开始的固定波束剖面。因此，其深度成像的能力是有限的。相比之下，ADAPT方法提供了用于在期望的位置处生成剪切波的通用工具，并且可适应成像目标/区域的各种尺寸。此外，ADAPT框架可应用于不同类型的换能器(例如，线性、弯曲和2D阵列)。使用基于ADAPT的推动波束的ARFI剪切波成像可提供准确的内含物描绘。组合ADAPT的所有特征(例如，波束成形和衰减补偿)可提供用于诊断和治疗超声的一般格式，并且对于在复杂的临床环境中的多种应用采取朝向应用最佳声学波束的实质性步骤。

使用ADAPT对超声发射波束进行波束成形以形成非衍射声学波束的技术效果在于，可使用标准超声换能器配置(例如，线性阵列、曲线阵列等)生成具有任何期望的轴向压力剖面的非衍射/传播不变波束。另一种技术效果在于，根据ADAPT成形的非衍射声学波束可在比标准聚焦波束更深的深度处生成剪切波，从而改善剪切波成像以及具有与其周围不同的刚度值的组成分量的描绘。

本公开也提供对一种用于利用包括多个换能器元件的超声换能器发射非衍射声学波束的方法的支持，所述方法包括：针对所述超声换能器的给定配置，基于针对所述声学波束的目标轴向压力剖面来确定针对所述超声换能器的发射延迟函数和发射切趾函数；以及基于所述发射延迟函数和所述发射切趾函数，通过向所述多个换能器元件发送电信号来控制所述超声换能器以发射所述声学波束。在所述方法的第一示例中，针对所述声学波束的所述目标轴向压力剖面是由用户定义的任意函数。在所述方法的第二示例中，任选地包括所述第一示例，针对所述声学波束的所述目标轴向压力剖面被定义为具有长度和中心的方波函数，所述长度和所述中心各自基于待经由所述声学波束成像的感兴趣区域(ROI)来选择。在所述方法的第三示例中，任选地包括所述第一示例和第二示例中的一者或两者，所述方法还包括：在所述声学波束的发射之后，在所述超声换能器处接收来自所述ROI的回波；从接收到的回波生成二维(2D)或三维(3D)弹性成像信息；以及在显示设备上显示所述2D或3D弹性成像信息。在所述方法的第四示例中，任选地包括所述第一示例至第三示例中的一者或多者或每一者，所述方法还包括：在所述声学波束发射到感兴趣区域(ROI)之后，在所述超声换能器处接收来自所述ROI的回波；从接收到的回波生成2D、3D或4D B模式图像、多普勒图像、彩色流图像或造影剂增强图像；以及在显示设备上显示所述2D、3D或4D B模式图像、所述多普勒图像、所述彩色流图像或所述造影剂增强图像。在所述方法的第五示例中，任选地包括所述第一示例至第四示例中的一者或多者或每一者，所述超声换能器的所述配置包括：所述超声换能器的频率、包括所述多个换能器元件的换能器元件的数量、每个换能器元件的尺寸、以及每个换能器元件沿着所述超声换能器的轴线的坐标。在所述方法的第六示例中，任选地包括所述第一示例至第五示例中的一者或多者或每一者，所述发射延迟函数和所述发射切趾函数还基于声速和/或所述声学波束将要传播通过的材料的衰减来确定。在所述方法的第七示例中，任选地包括所述第一示例至第六示例中的一者或多者或每一者，相应电信号被发送到每个换能器元件，并且每个相应电信号被延迟基于所述发射延迟函数的相应延迟值并且具有由基于所述发射切趾函数的相应切趾值定义的幅度。在所述方法的第八示例中，任选地包括所述第一示例至第七示例中的一者或多者或每一者，基于所述发射延迟函数和所述发射切趾函数，通过向所述多个换能器元件发送电信号来控制所述超声换能器以发射所述声学波束包括：将所述发射切趾函数编码到所述发射延迟函数中以形成经编码的延迟函数；以及通过向每个换能器元件发送被延迟基于所述经编码的延迟函数的相应延迟值的相应电信号来控制所述超声换能器以发射所述声学波束。

本公开也提供对一种用于利用超声探头的换能器发射非衍射声学波束的方法的支持，所述方法包括：基于针对要发射的所述非衍射声学波束的目标轴向压力剖面和所述换能器的频率来计算非衍射声学波束分量的总数；针对每个非衍射声学波束分量计算相应侧向波数、相应轴向波数、相应复权重和相应元件大小；基于每个非衍射声学波束分量的所述相应元件大小将每个非衍射声学波束分量内插到所述换能器的换能器元件大小；对内插的非衍射声学波束分量进行求和；基于求和的内插的非衍射声学波束分量来确定针对非衍射声学波束的切趾函数和延迟函数；以及通过根据所述切趾函数和所述延迟函数激活所述换能器的多个元件来控制所述换能器以发射所述非衍射声学波束。在所述方法的第一示例中，所述目标轴向压力剖面包括针对所述非衍射声学波束的目标波束长度和针对所述非衍射声学波束的目标波束中心。在所述方法的第二示例中，任选地包括所述第一示例，针对每个非衍射声学波束分量计算所述相应侧向波数、所述相应轴向波数、所述相应复权重和所述相应元件大小包括：针对每个非衍射声学波束分量，基于所述换能器的所述频率、声速和所述非衍射声学波束将传播通过的介质的衰减、所述目标轴向压力剖面以及非衍射声学波束分量的总数来计算所述相应轴向波数；针对每个非衍射声学波束分量，基于所述相应轴向波数来确定所述相应侧向波数；针对每个非衍射声学波束分量，基于所述相应侧向波数来确定所述相应元件大小；基于所述相应侧向波数来向每个非衍射声学波束分量指派所述相应复权重；以及针对每个非衍射声学波束分量，基于所述相应复权重、所述相应侧向波数和具有所述相应元件大小的分辨率的横向栅格来计算相应复波束函数。在所述方法的第三示例中，任选地包括所述第一示例和第二示例中的一者或两者，将每个非衍射声学波束分量内插到所述换能器的所述换能器元件大小包括执行每个相应复波束函数的样条内插以形成相应内插的复波束函数，并且其中对内插的非衍射声学波束分量进行求和包括对所述相应内插的复波束函数进行求和。在所述方法的第四示例中，任选地包括所述第一示例至第三示例中的一者或多者或每一者，所述切趾函数是求和的内插的复波束函数的绝对值，并且所述延迟函数是求和的内插的复波束函数的解卷绕相位。在所述方法的第五示例中，任选地包括所述第一示例至第四示例中的一者或多者或每一者，所述切趾函数是方波函数，并且基于所述求和的内插的复波束函数的所述绝对值加上或减去所述求和的内插的复波束函数的解卷绕相位的反余弦来计算所述延迟函数。

本公开还提供对一种系统的支持，所述系统包括：超声探头，所述超声探头包括换能器，所述换能器包括多个换能器元件；显示设备；存储器，所述存储器存储指令；和一个或多个处理器，所述一个或多个处理器被配置为执行所述指令以：控制所述超声探头以通过发射具有目标轴向压力剖面的非衍射声学波束来在患者中的感兴趣区域(ROI)处生成剪切波，所述非衍射声学波束由多个叠加的非衍射声学波束分量构成；利用所述超声探头接收来自所述ROI的回波；从接收到的回波生成弹性成像信息；以及在所述显示设备上显示所述弹性成像信息。在所述系统的第一示例中，所述目标轴向压力剖面包括针对所述非衍射声学波束的目标波束长度和针对所述非衍射声学波束的目标波束中心，并且其中所述目标波束长度和所述目标波束中心是基于所述ROI选择的。在所述系统的第二示例中，任选地包括所述第一示例，控制所述超声探头以发射所述非衍射声学波束包括根据各自基于所述叠加的非衍射声学波束分量计算的切趾函数和延迟函数来控制所述多个元件中的每个元件，所述叠加的非衍射声学波束分量基于所述目标轴向压力剖面、所述换能器的配置和所述非衍射声学波束将在其中传播的介质的声速来确定。在所述系统的第三示例中，任选地包括所述第一示例和第二示例中的一者或两者，所述切趾函数和所述延迟函数还基于所述介质的衰减。在所述系统的第四示例中，任选地包括所述第一示例至第三示例中的一者或多者或每一者，所述超声探头的所述多个元件被布置成线性阵列、弯曲阵列或二维阵列，并且其中所述一个或多个处理器被进一步配置为执行所述指令以：控制所述超声探头以同时发射相对于所述多个元件侧向分布的多个非衍射声学波束；以及/或者控制所述超声探头以发射具有波束轴的非衍射声学波束，所述波束轴以相对于所述多个元件的角度被引导。

当介绍本公开的各种实施方案的元件时，冠词“一个”、“一种”和“该”旨在意指存在一个或多个这样的元件。术语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、量或重要性，而是用于将一个元件与另一个元件区分开。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包含性的，并且意指除了列出的元件之外还可存在附加元件。如本文使用术语“连接到”、“耦接到”等，一个对象(例如，材料、元件、结构、构件等)可连接到或耦接到另一个对象，而不管该一个对象是否直接连接或耦接到另一个对象，或者在该一个对象与另一个对象之间是否存在一个或多个介入对象。此外，应当理解，对本公开的“一个实施方案”或“实施方案”的引用不旨在被解释为排除也结合所引用特征的附加实施方案的存在。

除了任何先前指示的修改之外，本领域技术人员可在不脱离本说明书的实质和范围的情况下设计出许多其他变型和替代布置，并且所附权利要求书旨在覆盖此类修改和布置。因此，尽管上文已经结合当前被认为是最实际和最优选的方面对信息进行了具体和详细的描述，但对于本领域的普通技术人员将显而易见的是，在不脱离本文阐述的原理和概念的情况下，可进行许多修改，包括但不限于形式、功能、操作方式和用途。同样，如本文所使用的，在所有方面，示例和实施方案仅意图是说明性的，而不应被解释为以任何方式进行限制。

Claims (14)

1.一种用于利用包括多个换能器元件的超声换能器发射非衍射声学波束的方法，所述方法包括：

针对所述超声换能器的给定配置，基于针对所述声学波束的目标轴向压力剖面来确定针对所述超声换能器的发射延迟函数和发射切趾函数；以及

基于所述发射延迟函数和所述发射切趾函数，通过向所述多个换能器元件发送电信号来控制所述超声换能器以发射所述声学波束。

2.根据权利要求1所述的方法，其中针对所述声学波束的所述目标轴向压力剖面是由用户定义的任意函数。

3.根据权利要求1所述的方法，其中针对所述声学波束的所述目标轴向压力剖面被定义为具有长度和中心的方波函数，所述长度和所述中心各自基于待经由所述声学波束成像的感兴趣区域(ROI)来选择。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括：

在所述声学波束的发射之后，在所述超声换能器处接收来自所述ROI的回波；

从接收到的回波生成二维(2D)或三维(3D)弹性成像信息；以及

在显示设备上显示所述2D或3D弹性成像信息。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在所述声学波束发射到感兴趣区域(ROI)之后，在所述超声换能器处接收来自所述ROI的回波；

从接收到的回波生成2D、3D或4D B模式图像、多普勒图像、彩色流图像或造影剂增强图像；以及

在显示设备上显示所述2D、3D或4D B模式图像、所述多普勒图像、所述彩色流图像或所述造影剂增强图像。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述超声换能器的所述配置包括：所述超声换能器的频率、包括所述多个换能器元件的换能器元件的数量、每个换能器元件的尺寸、以及每个换能器元件沿着所述超声换能器的轴线的坐标。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述发射延迟函数和所述发射切趾函数还基于声速和/或所述声学波束将要传播通过的材料的衰减来确定。

8.根据权利要求1所述的方法，其中相应电信号被发送到每个换能器元件，并且每个相应电信号被延迟基于所述发射延迟函数的相应延迟值并且具有由基于所述发射切趾函数的相应切趾值定义的幅度。

9.根据权利要求8所述的方法，其中基于所述发射延迟函数和所述发射切趾函数，通过向所述多个换能器元件发送电信号来控制所述超声换能器以发射所述声学波束包括：将所述发射切趾函数编码到所述发射延迟函数中以形成经编码的延迟函数；以及通过向每个换能器元件发送被延迟基于所述经编码的延迟函数的相应延迟值的相应电信号来控制所述超声换能器以发射所述声学波束。

10.一种系统，包括：

超声探头，所述超声探头包括换能器，所述换能器包括多个元件；

显示设备；

存储器，所述存储器存储指令；和

一个或多个处理器，所述一个或多个处理器被配置为执行所述指令以：

控制所述超声探头以通过发射具有目标轴向压力剖面的非衍射声学波束来在患者中的感兴趣区域(ROI)处生成剪切波，所述非衍射声学波束由多个叠加的非衍射声学波束分量构成；

利用所述超声探头接收来自所述ROI的回波；

从接收到的回波生成弹性成像信息；以及

在所述显示设备上显示所述弹性成像信息。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述目标轴向压力剖面包括针对所述非衍射声学波束的目标波束长度和针对所述非衍射声学波束的目标波束中心，并且其中所述目标波束长度和所述目标波束中心是基于所述ROI选择的。

12.根据权利要求11所述的系统，其中控制所述超声探头以发射所述非衍射声学波束包括根据各自基于所述叠加的非衍射声学波束分量计算的切趾函数和延迟函数来控制所述多个元件中的每个元件，所述叠加的非衍射声学波束分量基于所述目标轴向压力剖面、所述换能器的配置和所述非衍射声学波束将在其中传播的介质的声速来确定。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述切趾函数和所述延迟函数还基于所述介质的衰减。

14.根据权利要求10所述的系统，其中所述超声探头的所述多个元件被布置成线性阵列、弯曲阵列或二维阵列，并且其中所述一个或多个处理器被进一步配置为执行所述指令以：

控制所述超声探头以同时发射相对于所述多个元件侧向分布的多个非衍射声学波束；以及/或者

控制所述超声探头以发射具有波束轴的非衍射声学波束，所述波束轴以相对于所述多个元件的角度被引导。