阅读说明：本技术 使用超声估计组织的衰减特性的方法和系统 (Method and system for estimating attenuation characteristics of tissue using ultrasound ) 是由 格伦·W·马克劳林 艾伯·吉 于 2020-01-06 设计创作，主要内容包括：公开了使用超声估计组织的衰减特性的方法和系统。方法包括,接收与被发射到组织中的一个或多个超声信号的回波的检测相对应的回波数据。该回波可以从组织的一定深度范围内接收。使用该回波数据获得该组织深度范围内的频谱测量。可以使用该组织深度范围内的频谱测量来估计该组织深度范围内的组织的衰减特性。具体地,可以使用该频谱测量和被发射到组织中的该一个或多个超声信号的已知频谱特性来估计组织的衰减特性。(Methods and systems for estimating attenuation characteristics of tissue using ultrasound are disclosed. The method includes receiving echo data corresponding to detection of echoes of one or more ultrasound signals transmitted into tissue. The echo may be received from a range of depths in tissue. Spectral measurements within the tissue depth range are obtained using the echo data. Spectral measurements within the tissue depth range may be used to estimate attenuation characteristics of tissue within the tissue depth range. In particular, the spectral measurements and known spectral characteristics of the one or more ultrasound signals transmitted into the tissue may be used to estimate attenuation characteristics of the tissue.)

使用超声估计组织的衰减特性的方法和系统

技术领域

本发明涉及超声系统和方法，尤其涉及使用超声进行的在组织的一定深度范围内的衰减估计。

背景技术

超声成像被广泛用于在各种不同应用中检查各种材料和物体。超声成像提供了一种快速的和容易的工具，可以以无创方式分析材料和物体。因此，超声成像在医学实践中作为疾病诊断、治疗和预防工具特别普遍。具体地，由于其相对非侵入性的性质、低成本和快速响应时间，超声成像在整个医疗行业中广泛用于诊断和预防疾病。而且，由于超声成像基于非电离辐射，因此它不会带来与其他诊断成像工具（例如X射线成像或其他使用电离辐射的成像系统）相同的风险。

通常，超声成像通过将超声波产生并引导到感兴趣的材料中来实现的，首先是发射阶段，然后是接收阶段。在发射阶段，通过施加连续的或脉冲的电子信号将超声波信号发射到感兴趣的材料中。在接收阶段，不同材料之间的边界所产生的反射回波会被接收装置（比如换能器）接收，并被转换为电信号，然后可以对该电信号进行处理以确定回波源的位置。所得的数据可用于显示感兴趣材料的内部的图像，例如可以使用显示装置（比如监视器）显示图像。

超声成像可以提供大量的临床信息。具体而言，超声成像可用于腹部超声（以可视化腹部组织和器官）、骨超声（以评估骨脆性）、乳房超声（以可视化乳房组织）、多普勒胎儿心率监测器（以听取胎儿心跳）、多普勒超声（以可视化通过血管、器官或其他结构的血流）、超声心动图（以查看心脏）、胎儿超声（以查看怀孕的胎儿）、超声引导下的活检（以采集样本组织）、眼科超声（以可视化眼部结构）和超声引导下的穿刺针放置（在血管或其他感兴趣的组织中）。超声成像还已经用于通过单次测量硬度或剪切波速度来描述各种疾病状态，例如肝脏、乳房、前列腺、甲状腺或其他器官的疾病。

组织内声音的衰减已经呈现出基于组织类型以及在特定组织类型内基于疾病状态而变化。测量和跟踪各种器官内的组织的随时间的衰减特性的能力具有使医师能够监视多种疾病的进展的潜力。此外，它使医师能够测量当前疗法的疗效，并有可能减轻对定期进行组织活检的需求。由于超声的非侵入性，使用超声来测量组织的衰减特性是有益的。因此，存在对于用于使用超声来测量组织的衰减特性的系统和方法的需要。

为了使用超声来实现这些测量，存在许多挑战。例如，换能器的有限带宽、换能器之间的变化性、换能器内的变化性、信噪比问题等等都可能导致使用超声测量组织的衰减特性时出现问题。具体地，即使换能器是超声系统性能的显着限制，由于与组织的与频率相关的衰减特性导致的带宽减小，声波与组织的相互作用也会导致深度处的性能降低。但是，组织在一定深度范围内的衰减特性是医生用来监视多种疾病的进展的特性。因此，存在对于有助于使用超声采集组织在一定深度范围内的衰减特性的系统和方法的需要。

发明内容

根据各种实施例，一种用于使用超声来估计组织的衰减特性的方法包括：接收与被发射到组织中的一个或多个超声信号的回波的检测相对应的回波数据。该回波可以从一定范围的组织深度接收。使用该回波数据获得该组织深度范围内的频谱测量。使用该组织深度范围内的频谱测量来估计在该组织深度范围内的组织的衰减特性。具体地，可以使用该频谱测量和被发射到组织中的该一个或多个超声信号的已知频谱特性来估计组织的衰减特性。

在一些实施例中，一种用于使用超声来估计组织的衰减特性的系统包括超声换能器和主处理控制台。超声换能器可以被配置成将一个或多个超声信号发射到组织中。此外，超声换能器可被配置成在组织的一定深度范围内检测来自组织的该一个或多个超声信号的回波。主处理控制台可以被配置成接收与被发射到组织中的该一个或多个超声信号的回波的检测相对应的回波数据。另外，主处理控制台可以被配置成使用该回波数据获得该组织深度范围内的频谱测量。随后，主处理控制台可以被配置成使用该组织深度范围内的频谱测量值来估计组织在该深度范围内的衰减特性。具体地，主处理控制台可以被配置成使用该频谱测量和被发射到组织中的该一个或多个超声信号的已知频谱特性来估计衰减特性。

在各种实施例中，一种用于使用超声来估计组织的衰减特性的系统包括一个或多个处理器和以及计算机可读介质，该计算机可读介质提供指令，该一个或多个处理器可访问该指令以使该一个或多个处理器执行包括接收与被发射到组织中的一个或多个超声信号的回波的检测相对应的回波数据的操作。可以从组织的一个深度范围接收该超声信号。该指令可以进一步使该一个或多个处理器使用该回波数据来获得该组织的深度范围内的频谱测量。另外，该指令可以使该一个或多个处理器使用该组织的深度范围内的频谱测量来估计该组织的深度范围内的组织的衰减特性。具体地，该指令可以使该一个或多个处理器使用该频谱测量和被发射到组织中的该一个或多个超声信号的已知频谱特性来估计组织的衰减特性。

附图说明

图1示出了一种超声系统的示例。

图2是图示用于使用超声来估计组织的衰减特性的示例方法的流程图。

图3是图示用于生成一组衰减系数的过程的图。

图4显示了用于获得发射波形的深度变化频谱特性的估计的方法的流程图。

图5是图示根据本技术的各个方面的换能器的变化的深度频谱估计的平均值的曲线的图。

图6是包括一组曲线的一组图，该组曲线显示了根据未补偿换能器带宽限制的数据和已补偿的数据获得的给定深度的频谱特性。

图7显示了示例的衰减数据估计。

具体实施方式

超声换能器通常具有有限的带宽和频谱响应变化性。换能器技术的某些方面可以通过使用单晶换能器、复合材料换能器、电容微机械超声换能器（CMUT）、压电微机械超声换能器（PMUT）或其他改进措施进行改进。因此，存在多种换能器类型，每种换能器具有不同的特性、性能和缺点。但是，仍然非常需要进一步改善超声性能。本技术的各方面提供了用于测量和整形频谱响应的技术和系统，其导致增加的频谱带宽，例如，用于估计组织的衰减特性。此外，本主题技术提供了一种鲁棒的解决方案，该解决方案可以应用于多种不同的换能器类型，并且与换能器技术的其他改进兼容。

超声脉冲传播通过的介质（例如，感兴趣的材料，比如有机组织）的性质也可能影响超声回波并使产生的超声图像失真。例如，介质可以具有衰减性质，并且在许多情况下，衰减性质可以取决于频率。换句话说，介质可以使低频超声信号（或超声信号的低频部分）的衰减小于高频超声信号（或超声信号的高频部分）的衰减。此外，超声信号的衰减速率可能会根据介质的性质（比如成分、密度、层、介质中对象的位置等等）而变化。当介质是可能包含可以各自具有不同特性的多个层和/或成分的有机组织时尤其如此。此外，这些层和/或成分可能以不均匀的方式分散在整个组织中。本技术的各方面还提供了补偿介质的与频率相关的衰减性质的技术和系统，并提供了该性质如何影响不同深度处的衰减。

本技术的一些方面涉及存储在机器可读介质上的过程、系统和/或指令，其为上述技术问题和其他技术问题提供技术解决方案。例如，根据一些实施例，换能器可以被配置成将脉冲信号发射到组织中。该脉冲信号可以是广谱的长时间编码校准脉冲，例如线性调频脉冲（与短时间但广谱的成像脉冲相反）。超声回波是基于所发射的脉冲信号在各种深度的组织中的边界、对象或其他成分上的反射生成的。这些回波可以被换能器接收并转换成回波数据。

可以基于所接收的回波数据来生成一组快速傅立叶变换。该组中的每个快速傅立叶变换可以与特定深度值或深度范围相关联。这些深度值和范围可以不相交，或者在某些情况下可以重叠。还可以生成针对每个快速傅立叶变换的频谱响应的频率相关滤波系数的点估计。这些点估计可用于形成一条线。在一些情况下，还可以采取归一化步骤来平滑该线。例如，可以使用最小均方拟合过程。

可以从由点估计形成的线中提取一组衰减系数，并且这些衰减系数可以用于补偿换能器的频谱响应限制或感兴趣组织的频率相关的衰减。例如，第二脉冲信号可以被发射到组织中。在一些情况下，该第二脉冲可以是与上面使用的初始校准脉冲相比时间更短但仍具有较宽带宽的成像脉冲。可以接收和使用第二脉冲信号的回波数据以及该组衰减系数来生成组织的图像。例如，衰减系数可以用作图像数据的逆滤波器。

虽然相对于有机组织讨论了一些实施例，但是可以类似地使用其他介质、材料或感兴趣的对象。此外，尽管某些实施例讨论了快速傅立叶变换，但是也可以使用其他算法或信号变换方法。

一些实施例的各个方面可以使用硬件、软件、固件或其组合来实现。如本文所使用的，软件模块或组件可以包括位于计算机可读存储介质之内或之上的任何类型的计算机指令或计算机可执行代码。软件模块例如可以包括一个或多个计算机指令的物理或逻辑块，其可以被组织为执行一个或多个任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。

在一些实施例中，特定软件模块可以包括存储在计算机可读存储介质的不同位置中的不同指令，它们一起实现所描述的模块功能。实际上，模块可以包括单个指令或许多指令，并且可以分布在多个不同的代码段、不同的程序之间以及跨多个计算机可读存储介质。一些实施例可以在分布式计算环境中实践，其中任务由通过通信网络链接的远程处理设备执行。

通过参考附图将最好地理解本发明公开的实施例，其中相同的部分始终用相同的数字表示。如本发明的附图中所一般地描述和示出的，所公开的实施例的组件可以以多种不同的配置来设置和设计。此外，与一个实施例相关联的特征、结构和操作可以适用于另一实施例所描述的特征、结构或操作或与之组合。在其他情况下，未详细示出或描述公知的结构、材料或操作，以避免使本发明公开的各方面不清楚。

因此，本发明的系统和方法的实施例的以下详细描述并非旨在限制本发明所要求保护的范围，而仅表示可能的实施例。另外，方法的步骤不必一定以任何特定顺序执行，甚至不必顺序地执行，步骤也不必仅执行一次。

图1示出了超声系统100的示例。图1所示的超声系统100仅仅是示例的系统，并且在不同的实施例中，超声系统100可以具有更少的组件或额外的组件。具体地，超声系统100可以是其中接收阵列聚焦单元被称为波束合成器102并且可以在逐条扫描线的基础上执行图像形成的超声系统。系统控制可以集中在主控制器104中，该主控制器通过操作者界面接受操作者的输入，进而控制各个子系统。对于每条扫描线，发射器106产生射频（RF）激励电压脉冲波形，并以适当的时序将其施加在发射孔径（由激活阵元的子阵列定义）上，以产生沿扫描方向的聚焦声束。由换能器110的接收孔径108接收的RF回波被接收器108放大和滤波，然后被馈送到波束合成器102，该波束合成器102的功能是执行动态接收聚焦，即，重新对准沿各个扫描线来自相同位置的RF信号。

图像处理器112可以执行特定于活动成像模式的处理，包括将图像数据从声线网格转换为X-Y像素图像以进行显示的2D扫描变换。对于频谱多普勒模式，图像处理器112可以执行壁滤波，随后通常使用滑动FFT窗对多普勒频移的信号样本进行频谱分析。图像处理器112还可以生成与正向和反向血流信号相对应的立体声音频信号输出。与主控制器104配合，图像处理器112还可以格式化来自两个或更多个活动成像模式的图像，包括显示注释、图形叠加以及电影文件和所记录的时间轴数据的回放。

电影缓冲器114提供用于单个图像或多个图像循环查看的常驻数字图像存储，并且用作用于将图像传送到数字档案设备的缓冲器。在大多数系统上，可以将数据处理路径末端的视频图像存储到电影存储器中。在最新技术的系统中，还可以将幅度检测后的波束合成后的数据存储在电影存储器114中。对于频谱多普勒，可以将用户选择的采样门处的壁滤波后的基带多普勒I/Q数据存储在电影存储器114中。随后，显示器116可以显示由图像处理器112创建的超声图像和/或使用电影存储器114中存储的数据创建的图像。

波束合成器102、主控制器104、图像处理器、电影存储器114和显示器可以被包括为超声系统100的主处理控制台118的一部分。在各种实施例中，主处理控制台118可以包括更多或更少的组件或子系统。超声换能器110可以被结合在与主处理控制台118分离的设备中，在被有线或无线地连接到主处理控制台118的单独的设备中。当对患者执行特定的超声检查时，这使得超声换能器110的操作更加容易。

如上所述，超声系统在有限的带宽上工作和/或具有有限的可靠频谱响应。超声系统所针对的介质（例如，组织）的性质也使超声信号失真，结果，使任何得到的超声图像失真。本技术的各个实施例旨在改善超声技术的这些以及其他技术问题。

根据各种实施例，可以进行在各种深度处的信号的频谱测量，并且可以获得与频率相关的衰减系数以及换能器的通带响应的估计。鉴于组织的衰减系数将以与较低频率不同的速率（例如更快的速率）衰减较高的频率，则随着传播通过组织，来自初始发射频谱脉冲的频谱响应的整体衰减将被滤波成具有越来越窄的带宽的越来越低的中心频率信号。随着波束被形成，系统可以检查主要代表斑点的区域，以便可以在每个深度获得清晰的频谱估计。

根据一些实施例，频谱估计可以在深度上以各种程度重叠。多条波束合成的线也可以用于获取多个频谱估计，并且可以对这些估计进行归一化或取平均以改善每个深度处的整体信噪比（SNR）。替代地或附加地，可以原状以相干的方式对数据进行平均以改善整体SNR。

一旦在各种深度处计算了这些频谱估计，就可以使用发射脉冲的已知频谱特性以及在深度处测得的频谱估计来估计换能器传递函数以及组织随深度的衰减性质。然后，该信息可用于生成与深度相关的逆滤波器，以在一定程度上补偿波形在组织中传播时带宽的减小和频率下移，从而改善深度处的系统细节分辨率性能。该系统可以进一步被配置成测量各个深度处的频谱SNR，并自动确定和调整应当对各个深度和/或频率处的信号施加多少增益以确保主要补偿的是信号，而不仅是噪声。

根据一些实施例，来自反射的发射脉冲的输入数据的图像处理可以包括基于一个或多个处理算法形成图像。这些图像形成算法可以包括波束合成、合成孔径技术或自适应图像形成技术。可以使用用于获得系统和组织更全面的频谱带宽的唯一发射脉冲或使用标准成像脉冲来获得此数据。在一些实施例中，可以生成基于用于大调节的唯一脉冲的第一估计，并且可以使用标准发射脉冲来生成后续估计以跟踪用于精细调节的变化。一旦形成了图像，就可以基于先前的测量来应用增益补偿。如果没有先前的测量，则可以在没有补偿的情况下计算增益补偿的初始估计。

根据各种实施例，可以在范围方向上执行运动块快速傅立叶变换（FFT）。可以在重叠范围内生成这些变换，以便可以作出对参数的平滑的估计和所需的补偿。在其他实施例中，FFT可以在范围上没有任何重叠。沿着不同范围线的多个FFT可以用来改善整体估计，因为它们的频谱分布可以被平均，或者系统也可以相干地原状平均几个发送/接收周期，以改善信号的整体SNR。可以将换能器和系统参数补偿应用于频谱域中的信号，以便可以计算衰减系数的斜率。在一些实施例中，一旦存在基于点计算的衰减系数的估计，就可以应用移动平均值和/或最小均方拟合来获得对组织衰减的更平滑变化的估计。

根据各种实施例，一种用于使用超声来估计组织的衰减特性的方法包括：接收与被发射到组织中的一个或多个超声信号的回波的检测相对应的回波数据。可以从组织的一定范围的深度内接收回波。使用回波数据可以获得该组织的该深度范围内的频谱测量。可以使用在该组织的该深度范围内的频谱测量来估计在组织的该深度范围内的组织的衰减特性。具体地，可以使用该频谱测量和被发射到组织中的一个或多个超声信号的已知频谱特性来估计组织的衰减特性。

在一些实施例中，用于使用超声来估计组织的衰减特性的系统包括超声换能器和主处理控制台。该超声换能器可以被配置成将一个或多个超声信号发射到组织中。另外，该超声换能器可被配置成在组织的一定深度范围内检测来自该组织的该一个或多个超声信号的回波。主处理控制台可以被配置成接收与被发射到该组织中的一个或多个超声信号的回波的检测相对应的回波数据。另外，主处理控制台可以被配置成使用该回波数据获得该组织深度范围内的频谱测量。随后，主处理控制台可以被配置成使用该组织深度范围内的频谱测量来估计组织在该深度范围内的衰减特性。具体地，主处理控制台可以被配置成使用该频谱测量被发射到组织中的一个或多个超声信号的已知频谱特性来估计衰减特性。

在各种实施例中，一种用于使用超声来估计组织的衰减特性的系统包括一个或多个处理器和计算机可读介质，该计算机可读介质提供指令，该一个或多个处理器可访问该指令以使该一个或多个处理器执行包括接收与被发射到组织中的一个或多个超声信号的回波的检测相对应的回波数据。可以从组织的一个深度范围内接收该超声信号。该指令可进一步使该一个或多个处理器使用该回波数据来获得组织的该深度范围中的频谱测量。另外，该指令可以使该一个或多个处理器使用组织的该深度范围内的频谱测量来估计组织的该深度范围内的组织的衰减特性。具体地，该指令可以使该一个或多个处理器使用该频谱测量和被发射到组织中的一个或多个超声信号的已知频谱特性来估计组织的衰减特性。

图2是图示用于使用超声来估计组织的衰减特性的示例方法200的流程图。下文中呈现的方法200的操作旨在是说明性的。在一些实施例中，方法200可以用一个或多个未描述的额外操作和/或用没有所讨论的操作中的一个或多个的操作来实现。另外，图2中所示且在下文中描述的方法200的操作的顺序并不意图是限制性的。

在一些实施例中，方法200可以在一个或多个处理装置（例如，数字处理器、模拟处理器、被设计以处理信息的数字电路、被设计以处理信息的模拟电路、状态机和/或其他用于以电子方式处理信息的机制）中实现。该一个或多个处理装置可以包括响应于被电子存储在电子存储介质上的指令而执行方法200的一些或全部操作的一个或多个装置。该一个或多个处理装置可以包括被通过被专门设计用于执行方法200的一个或多个操作的硬件、固件和/或软件配置的一个或多个装置。例如，可以通过适用的超声系统、换能器系统、计算装置或类似系统来执行图2中所示的方法。

在操作202中，接收与被发射到组织中的一个或多个超声信号的回波的检测相对应的回波数据。可以从组织的一定深度范围中接收回波。如稍后将更详细地讨论的，可以执行各种操作以补偿在组织内不断增加的深度处从组织接收到的回波数据的限制。继而，这可以允许在组织的一定深度范围内估计组织的衰减特性，从而改善患者的治疗和诊断。具体地，当在组织的一定深度范围内获得组织的衰减特性时，医生可以更准确地诊断和治疗疾病。回波数据可以由适用的超声系统或超声系统的组件生成，比如图1所示的超声系统100以及图1所示的超声系统100的换能器110主处理控制台118。

可以使用独特的发射脉冲获得回波数据，该独特的发射脉冲与用于执行标准超声成像的脉冲相比用于获得系统和组织的更全面的频谱带宽。具体地，可以通过一个或多个宽带脉冲来形成被发射到组织中的一个或多个超声信号。更具体地，被发射到组织中的超声信号可以由宽带脉冲形成，该宽带脉冲的脉冲长度大于用于执行超声成像的超声信号的脉冲长度。例如，可以使用宽带频谱线性调频脉冲来产生被发射到组织中的超声信号。这可以确保以较宽的频谱带宽（例如，与标准超声成像中使用的超声脉冲相比）获得提高的/最大的信噪比。在各种实施例中，由回波数据形成的图像实际上没有显示给用户。因此，长脉冲和随后由于长脉冲而导致的不良图像特性不是问题。另外，由长脉冲产生的可见成像问题也不是问题，因为从皮肤线到期望的组织的衰减通常相距几个毫米。因此，由长脉冲产生的可见成像问题是令人满意的。尽管将超声信号描述为由一个或多个宽带脉冲创建，但是在各种实施例中，可以使用标准超声成像脉冲来创建用于测量组织的衰减特性的超声信号。

在操作204中，使用回波数据获得组织的该深度范围中的频谱测量。可以使用适用的信号处理技术（例如本文所述的信号/图像处理技术）来获得频谱测量。例如，并且如稍后将更详细地讨论的，可以使用FFT基于回波数据来获得频谱测量。另外，并且如稍后将更详细地讨论的，这些频谱测量可用于估计在该组织深度范围内的组织衰减特性。例如，可以获得各种深度的信号的频谱测量，并且可以获得与频率相关的衰减系数以及换能器的通带响应的估计。

回波数据/频谱测量可以被滤波，以识别组织的该深度范围内的频谱测量。具体地，回波数据/频谱测量可以被基于在组织中该一个或多个超声信号产生相应回波数据的深度进行滤波。随后，可以使用滤波后的回波数据在组织的该深度范围的至少一部分中获得频谱测量。例如，当超声信号更深地传播到组织中时由超声信号产生的回波数据可以被滤波。具体地，鉴于组织的衰减系数将以比低频信号更快的速度衰减高频信号，当传播通过组织时（例如，当频率降低时），来自初始发射的频谱响应、频谱测量/相应回波数据的整体衰减可以被滤波成具有越来越窄的带宽的具有越来越低的中心频率的信号。继而，当被用以生成回波数据的该一个或多个超声信号沿着组织的该深度范围越来越远地进入组织中（例如，远离皮肤线）时，回波数据可以被滤波以降低回波数据的中心频率。

此外，可以基于对由斑点代表的组织深度范围内的区域的识别来获得频谱测量。具体地，对于主要代表斑点/在特定的斑点数量阈值以上的区域，可以获得（例如，连续获得）额外的频谱测量。结果，即使在存在斑点的区域中，也可以在深度范围内的多个深度处获得清晰的频谱估计。随后，主要由斑点代表的区域的频谱估计也可以被用来估计组织在一定深度范围内的衰减特性。

另外，频谱测量/估计可以在组织的深度范围内在某种程度上重叠。具体地，多条波束合成的线可以被用来获得重叠的多个频谱估计/测量。继而，频谱估计（例如，重叠的估计）可以被平均以改善每个深度处的整体信噪比（例如，当与未被平均的频谱估算比较时）。具体地，对全部或部分频谱测量求平均可以改善组织的整个深度范围内的总体信噪比。

此外，频谱估计可以被原状以及以相干的方式平均，例如，如前文所述的，以改善整体信噪比。具体地，可以对频谱估计的全部或部分进行平均，例如，原状地平均，而无论频谱估计是否重叠，以提高组织的该深度范围内的总体信噪比。更具体地，频谱估计可以基于它们在组织内的相应深度进行平均，以改善整体信噪比。例如，在更大深度处（例如，比组织中的皮肤更深）的频谱估计可以被平均以提高整体信噪比。

可以应用额外的处理来改善整体信噪比，例如用于合成发射聚焦以改善整体信噪比的处理。具体地，时变逆滤波器只能随时间推移在有限的程度上补偿/估计衰减，因为随着信号变得越来越衰减，较高频率的所需要的信号可能会低于噪声水平。为了解决该问题，如前所述，可以对频谱测量和/或回波数据进行原状平均，以提高在深度处的信噪比。继而，这可以补偿在更深的深度和更高的带宽上估计衰减的问题。或者，可以随时间测量频谱信噪比。随后，基于所测量的信噪比，被应用在各种深度上以补偿衰减估计中的缺陷的增益可以被识别出来。相应地，相应的增益可以被应用在各个深度/频率处，以确保主要的信号被补偿/用于估计衰减，而不是噪声。

如上所述，可以使用FFT来识别频谱测量。具体地，可以使用回波数据生成一个或多个图像。随后，可以基于被使用回波数据生成的该一个或多个图像来生成一组FFT。每个FFT可以与组织的深度范围内的一个深度值相关联。继而，被包括为频谱测量的一部分的对于频率相关滤波系数的一组点估计可以被在组织的深度范围中产生。每个频率相关滤波系数可以对应于组织的深度范围内的一个或多个深度。随后，并且如稍后将更详细地讨论的那样，该组点估计可以被用来估计一组衰减系数，其代表着在组织的深度范围内组织的衰减水平/组织的衰减特性。

可以利用适用的超声图像处理技术来从回波数据生成一个或多个图像，例如以识别该组点估计。具体地，可以对从超声信号生成的回波数据应用基本图像处理以形成图像。例如，可以将标准波束合成、合成孔径技术或自适应图像形成技术应用于回波数据，以生成一个或多个图像，用以生成组织的深度范围中的该组点估计。

在使用FFT识别该组点估计时，一旦该一个或多个图像已经被形成，就可以将移动块FFT应用于该一个或多个图像。具体地，可将运动块FFT应用于该一个或多个图像的范围方向上以识别该组点估计。该一个或多个图像的范围方向可以对应于图像中表示的组织内的深度范围。例如，可首先将运动块FFT应用于该一个或多个图像的与组织中最接近组织表面的区域相对应的部分。然后，可将运动块FFT应用于表示该一个或多个图像中的代表该一个或多个图像中的不断减小的组织深度的部分，以便生成该组点估计。

变换的范围方向通常与先前FFT的重叠一起获取，以便可以对参数和其他适用的补偿进行平滑估计。但是，可以将一个或多个运动块FFT应用于该一个或多个图像的范围不重叠的不同部分。例如，可以沿着不同的范围线应用多个移动块FFT，以改善该组点估计中的总体估计。具体地，频谱分布可以被平均和/或多个发送/接收周期可以被原状平均以改善信号的整体SNR。继而，这可以改善使用FFT识别的总体点估计。

在操作206中，可以在组织的深度范围内的组织衰减特性。具体地，可以使用该频谱测量和被发射到组织中的一个或多个超声信号的已知频谱特性来测量组织的衰减特性。频谱特性（例如，已知频谱特性）可以包括描述被发射到组织中的超声信号的适用特征。例如，频谱特性可以包括一定频率范围中的超声信号的幅度。组织的深度范围的组织衰减特性可以包括组织深度范围中的每个深度处的衰减水平/不同衰减水平。具体地，一旦在操作204识别出了各个深度处的频谱测量/估计，则可以使用发射脉冲/超声信号的已知频谱特性以及在深度处的测量出的频谱估计来估计换能器传递函数以及组织随深度的衰减性质。然后，该信息可以被用来估计组织在各个范围深度以及方位角位置处的衰减。随后，估计出的组织衰减特性可以被呈现给用户，例如，以用于疾病的诊断或管理疾病。

在使用FFT来最终确定组织的衰减特性时，可以基于频率相关滤波系数的该组点估计来提取一组衰减系数。这些衰减系数可以代表组织深度范围中的衰减水平/不同衰减水平。可以根据该组点估计形成的线的斜率来基于该组点估计提取该组衰减系数，如稍后将更详细地讨论的。此外，可以基于该组点估计以及被发射到组织中的一个或多个超声信号的已知频谱特性来提取该组衰减系数。例如，可以将该组点估计与被发射到组织中的一个或多个超声信号的已知频谱特性进行比较，以确定该点估计与已知频谱特性之间的差异。这些差异可以对应于组织深度范围中的组织内的不同衰减水平。随后，可以将估计出的衰减系数呈现给用户，例如，以用于疾病的诊断或管理治疗。

可以基于估计出的该组衰减系数来识别在组织深度范围中的衰减水平的变化估计。具体地，可以将移动平均最小均方拟合应用于该组衰减系数，以产生组织深度范围中的组织衰减的平滑缓慢变化的估计。随后，可以将组织深度范围中的衰减水平的变化估计呈现给用户，例如以用于疾病的诊断或管理治疗。

图3是示出了用于生成一组衰减系数的过程的图。特别地，图3包括脉冲信号的曲线310。特别地，曲线310示出了脉冲信号（比如广谱或宽带校准脉冲信号）的幅度（以dB为单位）和频率。根据各种实施例，由曲线310表示的已知宽带校准脉冲可以在一段时间内由超声系统发射到组织中。超声系统可以接收由该宽带校准脉冲与各个深度的组织之间的反射和相互作用引起的回波。

校准脉冲可以由于与超声系统的换能器以及与组织之间的相互作用而被滤波和失真。例如，在近场中，失真和滤波效果可能主要归因于换能器，而当信号传播通过各个深度时，较高的频率的频谱滤波会增加。这在曲线320、321、322和323中示出。更具体地，曲线320、321、322和323帮助示出了不同的组织深度（例如，超声脉冲到达组织深度以及回波所需的时间）影响超声脉冲的频谱滤波。校准脉冲的较高的频率的滤波速率高于校准脉冲的较低的频率的滤波速率。此外，随着曲线320、321、322和323中的深度增加，该效果的突出性增加。

基于在各个深度处从各个扫描线接收到的信号（如曲线320、321、322和323所示），可以计算出一组在范围上重叠的快速傅里叶变换（FFT）。该组FFT由曲线330示出。如曲线330所示，在一些实施例中，深度范围可以重叠。然而，在其他实施例中，深度值可以不是范围和/或可以不重叠。

从该组FFT中，可以计算出频谱响应的频率相关滤波系数的直线斜率的点估计。这些点估计由曲线340示出。从这些点估计，可以对点的子集执行最小均方拟合，以获得谱响应的频率相关滤波的线的斜率的区域值的改进估计。频谱响应的频率相关滤波系数的区域斜率代表着相应的衰减系数。结果，一组衰减系统可以基于该组点估计提取出来。这由曲线350示出，该曲线示出了针对曲线340所示的线的部分计算出的2个衰减系数。概念上，这些衰减系数可以表示曲线340中的频率相关滤波系数的线的斜率的变化。这些衰减系数可以被用来计算距离相关的补偿滤波器，以补偿信号中的一些频谱响应降低，从而根据品质因数测量的细节分辨率图来改善图像性能。

本技术的各个实施例涉及获得被发射的波形的深度变化频谱特性的估计。例如，可以在组织的深度范围内发射和接收已知的发射脉冲频谱。数字化的信号可以在图像形成阶段中被处理。可以使用许多图像形成技术，包括标准的数字波束合成、合成孔径技术和自适应图像形成技术。如果已经存在增益补偿的估计，则可以应用这些估计。但是，在该过程的第一次迭代中（或者如果没有可用的估计），超深度增益补偿将很可能默认为标准值，例如识别函数。

在完成增益补偿之后，可以使用增益补偿后的信号来形成将要显示给系统用户的图像。附加地或可替代地，这些相同的信号也可以用于计算该过程的下一次迭代的校正因子。例如，用于计算增益补偿和校正因子的信号可以用于计算一组频谱能量分布（例如，FFT）。这些频谱能量分布可能在范围上重叠。这些基于范围的FFT组可用于分析该信号并确定在计算频谱斜率之前是否需要任何额外的换能器（XDR）或系统补偿。

频谱斜率被在范围内计算。特别地，可以计算对正在被成像的材料的频率相关衰减性质的估计。从这些测量结果中，提取出各个深度的衰减系数计算值。如果在较高的频率下有足够的信噪比，则增大的深度处的衰减系数被用于补偿具有增大的范围的图像的频谱性质。

图4显示了用于获得发射波形的深度变化频谱特性的估计的方法400的流程图。图4所示的方法400可以被用来根据本文描述的技术来估计组织的深度范围内的衰减特性。

参考图4中所示的方法400，已知的发射脉冲频谱410被在组织的一定深度范围内发射和接收。然后，在420处，从组织的深度范围内接收到的数字化了的信号可以被在图像形成阶段处理。可以使用多种图像形成技术在图像形成阶段420形成一个或多个图像，比如标准数字波束合成、合成孔径技术和自适应图像形成技术。在430处，应用增益补偿。具体地，在430处应用初始增益补偿以补偿组织的衰减特性。在430处应用增益补偿之后，在440处对信号应用移动块FFT，以产生一组重叠的频谱能量分布，例如，一组基于范围的FFT。在440处生成了该组基于范围的FFT之后，可以在450处应用数据补偿（例如，额外的换能器（XDR）/系统补偿）。具体地，在450处，可以在计算一个或多个频谱斜率之前分析信号以确定是否应当施加任何额外的XDR或其他适用的系统补偿。在460处，在深度范围内计算频谱斜率。如前所述，可以通过估计视场内各个点处的组织的频率相关衰减性质来计算频谱斜率。在470处，可以基于在460处计算的频谱斜率来提取在组织内的各个深度和/或横向位置处的一个或多个衰减系数。随后，可以将衰减系数作为点估计和指定视场内彩色编码区域衰减图表示中的任一个或两者呈现给用户。

图5是示出了根据本技术的各个方面的换能器的变化深度频谱估计的平均值的曲线500的图。特别地，由实线510示出了换能器的平坦频谱响应的误差的平均估计。应该注意的是，用于进行这些测量的换能器是线性换能器，其频谱频率范围为约3MHz至8 MHz。虚线520示出了对于变化的深度的换能器响应的频谱估计。从大约2MHz到大约8MHz的频率，各个深度变化频谱响应520的方差在平均频谱响应510附近是相当恒定的。在这些频率之上和之下，该方差迅速变化。较低频率处方差更紧密的原因是总的信噪更高，因为信号被发射到其中的介质对高频信号的衰减要大于低频信号，因此信号的信噪比（SNR）随频率增加而减小。因此，本技术的各个方面使得换能器能够具有更宽的频率范围，并提高了换能器的精度和图像分辨率。

图6是一组曲线600，其包括了显示根据未补偿换能器带宽限制的数据获得的和根据已补偿的数据获得的给定深度的频谱特性的一组曲线。范围中的未补偿/原始频谱数据被绘制在曲线610中。曲线610中的这个曲线612的频谱显示了相对于换能器的中带频率的以dB为单位的合理线性衰减，但被拟合到较低的频率的线上的整体频谱是最小的。在曲线610中还显示了针对未补偿/原始频谱响应的给定范围仅使用频谱的中心部分的最小均方拟合线611。如曲线610所示，即使由于换能器的频率响应特性的限制整体SNR良好，在较低的频率处频谱信号也有很大的滚降。

曲线620中绘出了范围内补偿后的频谱数据的曲线622。与曲线610中所示的未补偿频谱相比，从该曲线中，对于频率具有明显更好的以dB为单位的线性衰减。鉴于改进的较低频率的频谱特性，最小均方拟合线621也得到了改善。比较这两个曲线610和620有助于说明沿着一组范围样本基于换能器的频谱响应中包含的信息提取换能器的频谱响应并补偿频谱中的非理想性能够改善各个换能器和超声系统的整体系统频谱性能。

图7显示了从具有0.5dB/cm/MHz和0.7dB/cm/MHz的标称衰减的双衰减体模（CIRS040GSE）获得的示例衰减数据估计700（例如，衰减特性）。

在左侧，示出了标称衰减为0.5dB/cm/MHz的体模区域的曲线710。曲线710包括在各个深度处的信号的信号频谱斜率711的衰减的估计。可以看出，从表面到大约60mm处的频谱斜率存在合理的一致斜率，而在大约60mm处，信号的整体SNR变成噪声占主导。如前所述，噪声变成占主导的深度可以通过使用更长的线性调频脉冲或相干地平均多个发射接收周期来增大，如前文所述。跨这个区域的最小均方拟合712显示最小均方拟合的斜率对应于约0.5426dB/cm/MHz的或者在体模制造商的公差内的衰减估计。

在右侧，显示了标称衰减为0.7dB/cm/MHz的体模区域的曲线720。曲线720包括在各个深度处的信号的信号频谱斜率721的衰减的估计。可以看出，从表面到大约40mm处的频谱斜率存在合理的一致斜率，而在大约40mm处，信号的整体SNR变成噪声占主导。如前所述，噪声变成占主导的深度可以通过使用更长的线性调频脉冲或相干地平均多个发射接收周期来增大。跨这个区域的最小均方拟合722显示最小均方拟合的斜率对应于约0.7466dB/cm/MHz的或者在体模制造商的公差内的衰减估计。

本发明已经参考包括最佳模式的各种示例性实施例做出说明。然而，本领域技术人员将认识到，可以在不脱离本发明的范围的情况下对示例性实施例进行改变和修改。例如，取决于特定应用或考虑与系统的操作相关联的任何数量的成本函数，可以以替代方式来实现各种操作步骤以及用于执行这些操作步骤的组件，例如，这些步骤中的一个或多个可以被删除、修改或与其他步骤组合。

尽管已经在各种实施例中示出了本发明的原理，但是可以使用特别适合于特定环境和操作要求的结构、布置、比例、元件、材料和组件的许多修改，而不会背离本发明的原理和范围。这些和其他改变或修改旨在被包括在本发明的范围内。

上文中已经参考各种实施例进行了说明。然而，本领域的普通技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种修改和改变。因此，本文应被认为是说明性的而不是限制性的，并且所有这样的修改旨在被包括在其范围内。同样，上面已经参考各种实施例描述了益处、其他优点和问题的解决方案。但是，益处、优点、问题的解决方案以及可能导致任何益处、优点或解决方案出现或变得更加明显的任何要素都不应被解释为是关键的、必需的或必要的特征或要素。如本文中所使用的，术语“包括”、“包含”及其任何其他变体旨在覆盖非排他性包括，使得包括一系列元素的过程、方法、物品或设备不仅仅包括列出的那些元素，也可以包括未明确列出的或此类过程、方法、系统、物品或设备所固有的其他要素。而且，如本文所使用的，术语“耦合”、“耦接”及其任何其他变体旨在覆盖物理连接、电连接、磁连接、光学连接、通信连接、功能连接和/或任何其他连接。

本领域技术人员将理解，可以在不脱离本发明的基本原理的情况下对上述实施例的细节进行许多改变。因此，本发明的范围应由所附权利要求书确定。