Procedimiento y aparato para la corrección de imágenes ultrasónicas por análisis de fase.

El objeto de esta invención es un procedimiento y aparato que permiten corregir y mejorar en tiempo real la calidad de imágenes ultrasónicas obtenidas por métodos convencionales. Para ello, se multiplican las muestras conformadas por unos factores de coherencia de fase basados en el análisis de la dispersión las fases de los datos de la apertura

Procedimiento y aparato para la corrección de imágenes ultrasónicas por análisis de fase.

Objeto de la invención

El objeto de esta invención es proporcionar un procedimiento para corregir y mejorar, en tiempo real, la calidad de las imágenes ultrasónicas obtenidas por métodos convencionales mediante conjuntos o arrays de elementos transductores y técnicas digitales de conformación de haces. Además, se describe también un aparato para llevar a cabo el procedimiento de la invención, y que se puede incorporar y adaptar fácilmente a conformadores de haz existentes.

Antecedentes de la invención

Los sistemas de imágenes ultrasónicas convencionales se basan en un conjunto o array de N elementos transductores, normalmente piezoeléctricos, que emiten pulsos ultrasónicos en dirección al medio que se desea inspeccionar, donde el instante de emisión de los pulsos está temporizado de tal modo que los pulsos individuales se suman formando un haz ultrasónico. Una ley focal es el conjunto de retardos calculados para deflectar y enfocar el haz en una dirección y rango determinados en función de la geometría del array, del acoplamiento al medio a inspeccionar y de las velocidades de propagación del ultrasonido. Cambiando la ley focal se modifican la dirección y distancia focal del haz, lo que permite barrer la región de interés con focos situados a las mismas o a diferentes profundidades. Con arrays lineales el barrido es plano y, con los bidimensionales se puede realizar el barrido de un volumen.

En recepción, los ecos que llegan al array receptor (habitualmente el mismo que el emisor) como consecuencia de reflexiones en discontinuidades en el medio, son amplificados, digitalizados y retrasados individualmente para cada elemento i de los N del array receptor, 1≤qi≤qN, obteniendo los datos de la apertura S_i(k), donde k representa un índice en la señal de longitud L (1≤qk≤qL). La ley focal aplicada en recepción compensa las diferencias en el tiempo de vuelo del ultrasonido desde la emisión al foco y a cada elemento. Al sumar los N datos de la apertura (retrasados previamente), se producen interferencias constructivas si proceden del foco o destructivas si provienen de otras regiones, proceso que se denomina suma coherente. Los sistemas más avanzados varían dinámicamente la ley focal para que el foco se sitúe, en todo momento, sobre la posición que ocupa el pulso ultrasónico en su propagación por el medio, obteniendo así una imagen enfocada en toda su extensión (técnica de focalización dinámica).

Al visualizar la intensidad de las señales recibidas, la imagen muestra la amplitud de los reflectores en las posiciones que ocupan. El elemento que realiza la focalización de las señales recibidas se denomina conformador de haz. Métodos para la realización de conformadores con focalización dinámica se describen, por ejemplo, en C. Fritsch et al., "Composición coherente de señales por corrección focal progresiva", Pat. 2004/00203, 30 Ene. 2004, o en M. D. Poland, "Ultrasonic diagnostic imaging with automatic adjustment of beamforming parameters", US2007/0088213 Al, Apr. 19, 2007.

Es bien conocido (por ejemplo, G. S. Kino, "Acoustic waves: devices, imaging and analog signa) processing", Prentice Hall Inc., 1987) que la calidad de las imágenes ultrasónicas obtenidas con un conformador de haz como el descrito está limitada, principalmente, por:

a) La resolución lateral o capacidad para distinguir dos reflectores próximos entre sí.

b) El rango dinámico o relación entre las señales de mayor y menor intensidad detectables sobre el ruido de fondo sin saturación que, a su vez, limita el contraste.

c) La presencia de artefactos y, particularmente, de lóbulos de rejilla que aparecen cuando la distancia efectiva entre elementos es mayor que media longitud de onda. El límite de distancia entre elementos inferior a λ/2 se supera frecuentemente con arrays bidimensionales, para mantener la complejidad electrónica en dimensiones razonables y también en aplicaciones de imagen para Evaluación No Destructiva (END).

Los lóbulos laterales y de rejilla deterioran significativamente la calidad de la imagen obtenida. Ambos producen indicaciones donde no existen reflectores, limitando el rango dinámico y el contraste de las imágenes. En particular, zonas anecoicas en las que no deben aparecer indicaciones, quedan contaminadas por las que corresponden a los lóbulos laterales o de rejilla de reflectores o dispersores cercanos.

Por su parte, la anchura del lóbulo principal en el patrón lateral del haz determina primariamente la resolución lateral de la imagen para señales intensas. Para las más débiles, la resolución lateral está determinada por la anchura de los lóbulos laterales a ambos lados del principal. Las técnicas de apodización uniformizan la resolución lateral, reduciendo la amplitud de los lóbulos laterales a expensas de ensanchar el lóbulo principal, con la consiguiente pérdida de resolución lateral para señales intensas.

d) La aparición de aberraciones de fase, que se producen por las variaciones de velocidad de propagación ultrasónica en medios no homogéneos, provocando errores de focalización al modificar la trayectoria y/o el tiempo de vuelo del pulso ultrasónico. Estos errores de focalización, emborronan la imagen y provocan pérdidas de resolución y contraste.

Las tres primeras limitaciones son función de la geometría del array y de la longitud de onda. Así, durante mucho tiempo, se consideró que dichos límites no podían ser superados. Sin embargo, más recientemente, se han propuesto técnicas que permiten introducir correcciones en las imágenes obtenidas, con el objetivo de reducir o cancelar las indicaciones no deseadas en la imagen, producidas por lóbulos laterales o de rejilla, manteniendo o mejorando otros aspectos como la resolución lateral y la relación señal/ruido.

La idea generalmente seguida hasta ahora consiste en estimar un factor de coherencia indicativo de la calidad de la focalización para cada muestra k conformada. Una muestra conformada es el resultado de sumar las señales recibidas una vez focalizadas. Así, al aplicar el factor de coherencia a la salida del conformador, las muestras con un alto valor de coherencia se mantienen, mientras que se reducen las que presentan un bajo valor de coherencia.

En la propuesta original (K. W. Rigby, "Method and apparatus for coherence filtering of ultrasound images", US. Pat. 5.910.115, Jun. 8, 1999), para cada rango k, se calcula el factor de coherencia C(k) a partir de los datos de la apertura S_i(k), 1≤qi≤qN, como la relación entre el valor absoluto de la suma coherente y de la suma incoherente, esto es:

Una variante (K. W. Hollman et al., "Coherence factor of speckle from a multi-row probe", Proc. IEEE Ultrasonic Symposium, pp. 1257-1260, 1999) es:

donde se relacionan energías en lugar de amplitudes. Otra variante (A. L. Hall et al, "Method and apparatus for coherent imaging", US. Pat. 6.071240, 6 Jun. 2000) relaciona la suma coherente con la obtenida por un segundo conformador con retardos de focalización iguales a cero. En este caso, la coherencia aumenta con la disimilitud entre ambas magnitudes.

El factor de coherencia puede usarse para ajustar parámetros de emisión o recepción en un proceso iterativo y optimizar algún criterio de calidad (K. F. Ustuner et al., "Coherence Factor adaptive ultrasound imaging methods and systems", Pat. US2005/0228279, 13 Oct. 2005).

Otra variante es el factor de coherencia generalizado (P.C. Li, M. Li, "Adaptive Imaging using the Generalized Coherence Factor", IEEE Trans. Ultr., Ferroelec. and Freq, Contr., 50, 2, pp. 128-141, 2003) que se obtiene del espectro P(j,k) de los datos de la apertura:

donde el parámetro M<<N, elige una banda de bajas frecuencias del espectro. Para...

1. Procedimiento para la corrección de imágenes ultrasónicas por análisis de fase, caracterizado porque comprende la operación de multiplicar la muestra conformada por un factor de coherencia de fase (CF(k)) basado en la dispersión de las fases de los datos de la apertura (S_i(k)).

2. Procedimiento para la corrección de imágenes ultrasónicas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el factor de coherencia de fase (CF(k)) se calcula de acuerdo con la expresión:

donde f[φ_i(k)] es una función de medida de la dispersión de las fases φ_i(k) de los datos de la apertura y a un parámetro de ajuste modificable.

3. Procedimiento para la corrección de imágenes ultrasónicas de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la función f[φ_i(k)] de medida de la dispersión de las fases φ_i(k) de los datos de la apertura es la desviación estándar σ.

4. Procedimiento para la corrección de imágenes ultrasónicas de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque el coeficiente α toma valores pertenecientes al rango ≤ft[0, frac{1}{π}right].

5. Procedimiento de corrección de imágenes ultrasónicas de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la función f[φ_i(k)] de medida de la dispersión de las fases φ_i(k) de los datos de la apertura es varianza σ².

6. Procedimiento para la corrección de imágenes ultrasónicas de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque el coeficiente α toma valores pertenecientes al rango ≤ft[0, frac{1}{π²}right].

7. Procedimiento para la corrección de imágenes ultrasónicas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el factor de coherencia de fase CF(k) se calcula a partir de los signos de las fases de los datos de la apertura (S_i(k)).

8. Procedimiento para la corrección de imágenes ultrasónicas de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque el factor de coherencia de fase CF(k) se calcula de acuerdo con la expresión:

donde y P es un parámetro de ajuste modificable.

9. Programa de ordenador que comprende instrucciones del programa para hacer que un ordenador lleve a la práctica el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8.

10. Programa de ordenador según la reivindicación 9, incorporado en medios de almacenamiento.

11. Programa de ordenador según la reivindicación 9, soportado en una señal portadora.

12. Aparato (55a, 55b, 55c) para la corrección de imágenes ultrasónicas por análisis de fase de acuerdo con el procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende:

- unos medios (30, 31, 32, 40, 41, 43, 51, 52) para calcular el factor de coherencia de fase a partir de las fases de los datos de la apertura; y

- un medio (33, 42, 53) para multiplicar dicho factor de coherencia de fase por el valor de la muestra conformada.

13. Aparato (55a) para la corrección de imágenes ultrasónicas de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque el factor de coherencia de fase se determina empleando toda la información de las fases de los datos de la apertura, donde los medios para calcular el factor de coherencia de fase comprenden:

- un primer medio de cálculo (31), que determina las fases instantáneas de los datos de la apertura; y

- un segundo medio de cálculo (32), conectado al primer medio de cálculo (31), que determina los factores de coherencia de fase de acuerdo con la ecuación:

14. Aparato (55b, 55c) para la corrección de imágenes ultrasónicas de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque el factor de coherencia de fase se determina empleando los signos de las fases de los datos de apertura, donde los medios para calcular el factor de coherencia de fase comprenden:

- un sumador (40, 51), que suma los signos b_i de las fases de los datos de la apertura; y

- una tabla (41, 52), que recibe la salida del sumador (40, 51) y un coeficiente P, y calcula el factor de coherencia de fase de acuerdo con la ecuación:

15. Aparato (55b) para la corrección de imágenes ultrasónicas de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizado porque comprende además un medio de detección de igualdad de signos (43), que detecta la igualdad de todos los signos b_i y envía una señal indicativa a la tabla (41).

16. Aparato (55b) para la corrección de imágenes ultrasónicas de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizado porque además comprende medios para seleccionar manualmente el valor del coeficiente P.