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CN105593698B - 用于血管内成像的信号处理 - Google Patents

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CN105593698B CN201480052862.7A CN201480052862A CN105593698B CN 105593698 B CN105593698 B CN 105593698B CN 201480052862 A CN201480052862 A CN 201480052862A CN 105593698 B CN105593698 B CN 105593698B
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Abstract

在此披露了一种血管内成像系统，该血管内成像系统包括一个能够生成表示一个患者的血管结构的原始数据的换能器。该系统包括一个用于接收该原始数据并且生成增强的数据以便呈现给用户的成像引擎。该成像引擎包括一个相干滤波器，具有一个或多个包络检测器的一个包络检测模块，以及用于在各个阶段处理数据的一个空间滤波器。该成像引擎中的此类处理阶段用来降低高频噪声，生成低频数据，降低低频噪声，并且显示具有一个改善的信噪比的低频数据。该系统可以包括一个用于基于被增强的数据生成一个图像的图像生成器以及一个用于显示该生成的图像的显示器。

Description

用于血管内成像的信号处理
技术领域
本公开涉及血管内成像以及血管内图像数据的处理的领域。
背景
血管内成像通常用于识别血管的在诊断上重要的特性。例如，血管内成像系统可以被保健专业人员用来帮助识别并定位血管中的堵塞或损害。常见的血管内成像系统包括血管内超声波(IVUS)系统以及光学相干断层扫描(OCT)系统。
IVUS系统包括基于所接收的电信号发射超声波能量并且基于由不同的血管内结构反射的超声波能量发送返回电信号的一个或多个超声波换能器。在一些实例中，具有一个高分辨率显示器的一个控制台能够实时地显示IVUS图像。以这种方式，IVUS可以用于提供包括冠状动脉内腔的血管结构和内腔、冠状动脉壁形态、以及冠状动脉壁的表面处或附近的装置诸如支架的体内可视化。IVUS成像可以用于使包括冠状动脉疾病的病变血管可视化。在一些实例中，这个或这些超声波换能器可以在一个相对高的频率下(例如，10MHz-60MHz，在一些优选实施例中，40MHz-60MHz)操作并且可以靠近一根IVUS导管组件的一个远端被携带。一些IVUS系统涉及该血管的360度可视化(例如，机械地旋转该IVUS导管组件，使IVUS信号从相控阵列换能器转向等)。
由该换能器接收的电信号可以是图像信息的形式并且可以用来构建图像。在一些系统中，模拟图像信息可以被数字化成矢量形式。接着可以由一系列矢量构建一个图像。例如，各自包括N个数据点的M个矢量可以用来构建一个M×N二维图像。在一些系统中，一个患者的血管结构的图像可以被生成并且被实时显示以便提供此类结构的体内可视化。
该换能器通常产生模拟信号并且在一个特定的频率下操作。通常，所接收的该图像信息的分辨率随着该换能器的操作频率以及从该换能器的数据采集的频率的增加而增加。也就是说，高频图像趋于具有比低频图像更好的分辨率。然而，当与低频图像相比较时，因为与高频传输相关联的损耗，在一个高频下获取的数据通常包括更大的信号损耗，并且因此包括一个更低的信噪比(“SNR”)。如果该图像强度经由增加的增益放大，这可以导致暗、很难看清的图像或者严重干扰的图像。因此，大多数血管内成像在一个相对较低的频率下执行，为了一个改善的SNR而牺牲图像分辨率。
在一些系统中，图像信息被处理来改善该SNR。处理可以包括组合数据(诸如求平均值)，包络检测，和/或选择各种数据点以便消除(诸如异常值消除)。然而，每个处理步骤都需要时间。例如，在一些系统中，包络检测可以要求每个矢量逐一通过该包络检测器，从而使该成像过程减速。如果该处理滞后过长，则可以变得不可能的是生成用于被成像的该血管结构的体内可视化的一个实时显示。
概述
本发明的实施例提供一种具有高频图像信息采集和整个范围的噪声的有效噪声滤波的血管内成像系统。处理步骤被执行来实现高分辨率，低噪声图像。足够低程度的噪声允许该图像信息被放大以便显示高分辨率细节，而无需也放大该噪声到使该图像模糊的程度。
在一些实施例中，此类处理步骤可以包括高频数据的相干滤波，将该高频数据转换成低频数据的包络检测，以及低频数据的空间滤波。诸如包络检测的一些过程可以并行地执行以便加速处理。在一些实施例中，处理步骤被足够快速地执行以便实时生成并显示来自高频图像信息的一个高分辨率图像。
用于执行此类测量的系统可以包括血管内成像导管组件，该血管内成像导管组件被配置成用于在数据收集过程中生成对应于其周围环境(例如，一个患者的血管)的成像信息的原始帧。该成像信息的原始帧可以包括一组原始矢量，该组原始矢量中的每个矢量包括一组原始数据点。在一些实例中，每个矢量表示成像信息的角度部分，而该矢量内的每个数据点表示沿着那个角度部分的径向尺寸。该系统可以包括一个成像引擎，该成像引擎用于从该血管内成像导管组件接收成像信息的该原始帧并且产生包括一组增强的矢量的成像信息的一个增强帧。
该成像引擎可以包括一个相干滤波器，该相干滤波器被配置成用于将来自该组原始矢量的矢量分组到原始矢量组中并且基于这些原始矢量组内的数据点的比较生成第一组矢量。在一些情况下，该比较处于每个矢量内的类似的径向位置的点之间。该第一组矢量中的矢量通常各自表示这些原始矢量组中的一个中的这些矢量并且包括第一组数据点。该第一组矢量中的每个矢量内的该第一组数据点可以包括与该原始成像信息中的每组原始数据点相同数量的数据点。
该成像引擎可以包括一个包络检测模块，该包络检测模块用于接收该第一组矢量并且基于每个第一组数据点内的数据点彼此之间的比较生成第二组矢量。该第二组矢量中的每个矢量可以包括第二组数据点。每个第二组数据点可以具有比其相关联的第一组更少数量的数据点，但是可以表示该第一组数据点。在一些情况下，该第二组数据点可以包括表示该第一组数据点的较低频率。该第二组矢量可以包括与该第一组相同数量的矢量。
该成像引擎可以包括一个用于接收该第二组矢量并且生成一组增强的矢量的空间滤波器。该空间滤波器可以将来自该第二组矢量的矢量分组到经处理的矢量组中并且基于每个经处理的矢量组的数据点的比较生成一组增强的矢量。该空间滤波器可以包括每个经处理的矢量组内的数据点的比较，这些数据点具有类似的或者邻近的径向位置。在一些实例中，每个经处理的矢量组可以用来生成该组矢量中的一个单个增强的矢量。每个增强的矢量可以包括与该第二组矢量中的相关联矢量中的该第二组数据点相同数量的数据点。该组增强的矢量可以被组合来产生成像信息的该增强帧。
在一些系统中，该成像引擎可以包括一个图像生成器，该图像生成器被配置成用于基于成像信息的该增强帧生成一个图像。这些系统可以包括一个显示器，该显示器被联接到该成像引擎上以用于显示由该图像生成器生成的图像。在一些系统中，可以大致实时向一个用户显示来自该图像生成器和显示器的图像。
附图简述
图1是一个血管内成像系统的一个说明性实施例。
图2A和2B示出作为该血管内成像引擎的一部分的示例性相干滤波器配置。
图3A-3C示出一个示例性包络检测过程。
图4A-4B示出被安排用于处理或显示的示例性亮度数据集。
图5是示出生成高分辨率血管内图像的多步骤过程的一个过程流程图。
图6是示出图像信息从该换能器到一个显示器的流动的一个系统级框图。
详述
以下详细说明在本质上是示例性的，并且绝非旨在以任何方式对本发明的范围、适用性、或配置进行限制。更恰当的是，以下说明提供了用于实施本发明的实例的一些实用解释。对选定元件提供了构造、材料、尺寸以及制造过程的多个实例，并且所有其他元件采用了本发明领域的普通技术人员所已知的那些。本领域技术人员将认识到，许多提到的实例具有各种适合的替代方案。
图1是一个系统100的一个说明性实例，该系统100可以被配置成用于执行血管内成像。系统100可以包括一根导管组件102、一个平移机构110、以及一个用户界面120。该导管组件102可以包括一个近端104和被配置成插入一个患者118的一根血管中的一个远端106。在一个实例中，导管组件102可以经由股动脉插入该患者118中并且被引导到该患者118内的感兴趣区域。图1中的虚线表示该导管组件102在该患者118内的部分。
在一些实例中，导管组件102可以包括位于远端106内的一个换能器108，该换能器108被配置成用于发射并且接收基于波的能量并且生成成像数据—例如，以便使该患者118内的该感兴趣区域成像。例如，在系统100是一个IVUS系统的情况下，换能器108可以包括一个IVUS成像探针，该IVUS成像探针包括一个被配置成用于发射和接收超声波能量并且生成超声波数据的超声波换能器。在另一个实例中，系统100可以是一个OCT系统，其中该换能器108可以包括一个被配置成用于发射和接收光并且生成OCT数据的OCT成像探针。
在一些实施例中，该导管组件102可以包括一个成像组件和一个护套。该成像组件可以包括该换能器108，一根驱动电缆，以及一根传输线(例如，一根同轴电缆)。该护套可以限定一个管腔，在该官腔内该成像组件被允许自由移动。该驱动电缆可以被固定到该换能器108上，这样使得该驱动电缆通过该护套的移动致使该换能器108也移动通过该护套。因此，在一些实施例中，该换能器108可以经由该驱动电缆而在该护套内平移和旋转，而不需要在该动脉内移动该护套。这对于避免该导管组件102与一个患者的动脉的内部之间在成像或其他血管内成像操作过程中移动该换能器108时引起的过度摩擦而言可能是有利的。例如，当移动到该护套内时，并不沿这些血管拖动该导管组件102，这些血管可能具有容易破裂的斑块。
该血管内成像系统100可以包括一个平移机构110。如所示，该平移机构110可以与该导管组件102机械地接合并且被配置成在一个拉回或者其他平移操作过程中在该患者118内的一个受控距离平移该导管组件102。在一些实施例中，该平移机构110可以充当与该导管组件102的一个接口。该平移机构110可以平移该导管组件102的所有或者部分通过该患者118的血管系统。例如，在该导管组件102包括一根附接到该换能器108(其被容纳在一个护套内)上的驱动电缆的一个实施例中，该平移机构110可以用来平移该驱动电缆和换能器108通过该护套，同时保持该护套固定。
该血管内成像系统100可以包括一个血管内成像引擎112。在一些实施例中，该血管内成像引擎112可以包括一个处理器(诸如一个数字信号处理器(DSP))，一个专用集成电路(ASIC)，或者一个现场可编程门阵列(FPGA)，一个用户界面120，存储器，一个显示器114等等。该血管内成像引擎112可以从该导管组件102接收图像信息，并且在一些实施例中，该血管内成像引擎112的处理器可以处理该图像信息和/或基于从该导管组件102接收的该图像信息生成一个显示。在不同的实施例中，该血管内成像引擎112可以将该生成的显示呈现在显示器114上和/或将该生成的显示存储在存储器中。在一些实施例中，该显示器114可以被实时更新以便提供该患者118的该血管系统的体内可视化。
在一些实施例中，该用户界面120可以通过一个系统用户116接收命令和/或显示从该导管组件102获取的血管内成像数据(例如，血管内图像)。该用户界面120可以包括一个带软件的传统PC或PC界面，该软件被配置成与该血管内成像系统100的其他部件通信。在一些实施例中，该用户界面120可以包括可以被配置成显示系统信息和/或来自该导管组件102的成像信号(例如，血管内图像)的该显示器114。在一些实施例中，该用户界面120包括一个触摸屏显示器，该触摸屏显示器可以用于既接收来自一个系统用户116的命令又显示来自该导管组件102的血管内成像数据。
虽然该血管内成像引擎112可以包括一个处理器，用户界面120，存储器，以及一个显示器114，但是该血管内成像引擎112可以替代地包括适合用于执行在此公开的该血管内成像引擎112的功能的这些或者其他部件的任意组合。例如，该血管内成像引擎112可以包括一个处理器，该处理器被配置成从该导管组件102接收图像信息并且生成一个显示。在此类实施例中，如果任意这样的部件不是该血管内成像引擎112的一部分，该血管内成像引擎112可以与一个用户界面、在其上呈现所生成的显示的显示器114和/或在其中存储所生成的显示的存储器中的任一个通信。
在一些实施例中，来自该换能器108的模拟图像信息可以被数字化成有待数字化处理的一系列矢量。在一个示例性实施例中，一个单个矢量可以包括N个数据点，每个点对应于距该换能器108的一个距离。可以由M个矢量构建图像，每个矢量对应于一个可旋转换能器108(例如，机械地旋转，相控阵列等)的一个定向。在一个较高层面，具有N个数据点的该M个矢量可以用来在极坐标中构建具有M×N数据点的一个图像。在一些实施例中，每个矢量包括表示从该换能器108向外延伸的一个角度部分的信息。因为由该换能器108发射的基于波的能量的角宽度，来自一个矢量的血管系统的该成像的角度部分的一部分被包括在一个或多个附加矢量中是常见的。换言之，在生成M个矢量的过程中，通过不同矢量表示的成像的角度部分可以彼此重叠。
在一些实施例中，为了构建一个矢量，该成像引擎可以实时地在一系列点(例如，N个点)处从该换能器108采样数据并且使用每个随后接收的数据点填充该矢量。因此，数据收集的频率对应于该矢量数目，N。如在本文其他地方所论述的，由于当与较低频率相比较时更多的信号损耗或者等效地较低的SNR，一个较高频图像通常具有较高分辨率但是具有较低信号电平。例如，该导管组件102的传输线可以充当一根天线并且从该环境内的各种来源采集电噪声，该血管内成像系统100在该环境中操作。
在一些优选实施例中，该血管内成像引擎112可以被配置成处理在一个高频下获取的图像信息以便有效地改善该SNR。在一些实施例中，该血管内成像引擎112从该换能器108接收一组高频图像信息，该图像信息包括M个矢量，其中每个矢量包括N个数据点。在一些实施例中，该高频图像信息是成像信息的一个原始帧，该原始帧包括一组原始矢量，该组原始矢量的每个矢量包括一组原始数据点。例如，在各种实例中，高频图像信息可以包括一组4096、2048或1024个原始矢量。例如，每个矢量可以包括一组2560个原始数据点。总的来说，取决于该成像系统，每个矢量可以包括任意数量的数据点。如所论述的，高频数据通常包括大量的噪声，包括高频噪声和低频噪声。在一些实施例中，该血管内成像引擎112可以执行一个或多个处理功能以便从该组图像信息有效地降低该高频噪声和/或低频噪声。
例如，该血管内成像引擎112可以执行一个或多个计算以用于降低该组图像信息中的噪声。在各种实例中，一个或多个计算可以包括该图像信息内的两个或更多个数据点的比较。总的来说，数据的比较可以包括任意计算操作，该计算操作结合被比较的该一个或多个数据点的值。因此，数据点的比较可以包括组合与这些数据点相关联的值，诸如求和、求平均值，或者确定其他数据集参数，诸如确定一个中间值、众数、一个最小值、一个最大值等等。比较进一步可以包括执行数学功能或者涉及这样的数据的其他功能，例如像基于所比较的值进行的数据的分组或者消除。
在一些实施例中，该血管内成像引擎112被配置成用于接收来自该组原始矢量的每个矢量并且执行相干滤波以便滤除高频噪声并且改善该图像信息的该SNR。在一些实例中，该相干滤波器被配置成将来自该组原始矢量的矢量分组到具有一个或多个矢量的原始矢量组中并且基于这些原始矢量组中的每个矢量中的数据的比较来生成第一组矢量。在一些实例中，该第一组矢量基于位于类似的径向位置处的该原始矢量组内的每个矢量的数据点彼此之间的比较来生成。也就是说，在相干滤波过程中，矢量可以与类似矢量坐标处的另一个进行比较。在一些实例中，该比较可以包括求该原始矢量组中的处于类似矢量坐标处的这些矢量的平均值。在各种实施例中，该平均值可以是一个加权平均值或者一个标准均值计算。作为该相干滤波的结果，在一些实施例中，该第一组矢量中的每个矢量表示这些原始矢量组中的一个的矢量并且包括具有与该组原始矢量中的每个矢量中的这些组的原始数据点相同数量的数据点的第一组数据点。
在一个示例性实施例中，每个原始矢量组由两个矢量组成，该两个矢量各自具有N个数据点。在此类实施例中，该组原始矢量可以包括两倍于该第一组矢量的矢量。因此，具有4096、2048或者1024个矢量的这些组的原始矢量可以被对应地滤波成具有2048、1024或者512个矢量的第一组矢量。
总的来说，相干滤波可以包括组合一个或多个组合中的一个或多个矢量，例如，求平均值。在一些实施例中，一组X个矢量被简单地求平均值以便形成一个单个的、平均矢量。例如，可以在平均矢量中逐点执行求平均值。例如，在每个矢量对应于极坐标中的一个角坐标而每个矢量入口对应于极坐标中的不同的径向位置的实施例中，可以在每个共同的径向位置处执行两个矢量的比较(即，将一个矢量的第n个矢量入口与另一矢量中的第n个矢量入口进行比较)。
在一些此类实施例中，如果该换能器108向该血管内成像引擎112提供总共M个矢量，求平均值之后所得到的矢量数量将是M/X。在更复杂的实施例中，可以使用加权平均值或者多个组合中求平均值的各种形式。在一个具体的实例中，一系列四个矢量(v1，v2，v3，v4)可以被处理，这样使得形成四个所得“超级矢量”(s1，s2，s3，s4)。一个这样的处理实例如下：
s1＝∑(v2，v3，v4)
s2＝∑(v1，v3，v4)
s3＝∑(v1，v2，v4)
s4＝∑(v1，v2，v3)
在此实例中，三个独特矢量的每种可能的组合被用来形成所得“超级矢量”。在一些实施例中，每个和可以被缩放来提供一个更常规的平均值。
在前述实例中，四个矢量被处理成四个新矢量，该四个新矢量各自有效地包括该原始四个矢量中的三个的平均值。将存在于所有四个原始矢量中的该图像信息被保留在该新的矢量中，但是将可能存在于少于所有四个原始矢量中的该噪声在该新的矢量中将被显著减弱。因此，这些所得矢量中的每一个已经降低高频噪声，并且求平均值之后所得到的矢量数量仍然是M。在优选实施例中，被求平均值的这些矢量表示来自该患者的血管系统的重叠或者近似重叠部分的图像信息。总的来说，重叠部分的任意数量的矢量可以被组合来产生所得到的“超级矢量”。
图2A和2B示出作为该血管内成像引擎的一部分的示例性相干滤波器配置。图2A示出一个类似于上文描述的相干滤波器的相干滤波器124a，该相干滤波器接收四个矢量输入(v1，v2，v3,以及v4)并且输出四个“超级矢量”(s1，s2，s3,以及s4)。在一些实施例中，所得到的“超级矢量”的数量小于输入矢量的数量，诸如图2B中所示出的。图2B示出一个接收八个输入矢量(v1-v8)并且输出仅四个“超级矢量”(s5-s8)的示例性相干滤波器124b。在此类实施例中，可以任意方式组合输入矢量以便降低所得到的“超级矢量”的总数量，诸如各自选择两个或更多个输入矢量的四种可能组合并且执行一个求平均值功能。许多实现方式是可能的并且处于在此公开中描述的该相干滤波器的范围内。该相干滤波器可以被配置成输出具有比高频输入矢量更少的高频噪声以及一个较高的SNR的“超级矢量”，这些高频输入矢量由从该换能器108接收的该高频图像信息产生。
再次参考图1，在一些实施例中，可以使用包括一个或多个包络检测器的一个包络检测模块通过该血管内成像引擎112处理矢量。该包络检测模块可以被配置成从该相干滤波器接收该第一组矢量并且基于每个第一组数据点内的数据点彼此之间的比较来生成第二组矢量。也就是说，在一些实例中，该包络检测模块基于该第一组矢量的每个矢量内的数据点的比较来生成第二组矢量。该包络检测模块可以单独地对该第一组矢量的每个矢量起作用。因此，在一些实施例中，该第二组矢量包括与该第一组矢量相同数量的矢量。该包络检测模块可以包括多个包络检测器，这些包络检测器被并行安排以用于并行处理该第一组矢量中的矢量。这些并行包络检测器可以被安排成这样使得每个包络检测器被配置成生成该第二组矢量的子集。
在一些实例中，该包络检测模块中的一个包络检测器可以将包括高频数据的矢量有效地转换成包括低频数据的矢量，同时保持由该矢量表示的该波形的大体形状。图3是一种示例性包络检测过程。图3示出被输入到该包络检测器中的帧132中的一组高频数据。该数据中的顶点被检测来形成帧134中的该数据的一个(上部)包络。其他包络功能也是可能的。该包络被输出为在帧136中示出的信号，该包络具有与具有一个较低频率的该输入数据相同的大体波形。在一些实例中，由该接收的图像信息形成并且具有降低的高频噪声的“超级矢量”可以被引导至一个或多个包络检测器。在一些实施例中，可以使用多个并行包络检测器。例如，在X个矢量被处理来形成Y个“超级矢量”的一个实施例中，该系统100可以包括Y个并行的包络检测器以便同时处理这些“超级矢量”中的每一个。在上文所述的示例性情况下，四个并行的包络检测器可以被用来同时处理“超级矢量”s1-s4或者s5-s8。在这样一个实例中，当与使用一个单个包络检测器的系统相比较时，用于执行包络检测的处理时间被减少至四分之一。
在该系统被配置成用于显示表示该接收的图像信息的一个图像的实施例中，高频矢量可以包括过多数据以用于有效显示。即使当这些输入“超级矢量”是高频矢量时，这些包络检测器通常可以输出包括表示该所接收的信息的低频亮度数据的矢量。以此种方式，包络检测器可以被用来将该数据平滑化并且使其适合用于以具有亮度数据的低频矢量的形式显示。
该低频亮度数据可以是一系列矢量的形式，每个矢量包括一系列数据点。这些矢量可以组成该第二组矢量并且每个矢量中的一系列数据点可以包括这些矢量中的每一个中的第二组数据点。在一些实施例中，每个矢量通常对应于该换能器在该患者体内的一个定向角，而每个矢量内的该数据通常对应于包含在距该换能器增加的径向距离处的该矢量的角范围中的该患者的血管结构的信息。如所提及，由于由该换能器发射的该基于波的能量的该角宽度，由通过不同矢量表示的成像的角度部分可以彼此重叠。
图4A示出被安排用于显示的一组示例性亮度数据。在此实例中，亮度数据被安排在极坐标中，其中数据点140-148被成角度且径向地分开。由粗线分开的每个角度部分表示亮度数据的一个矢量，该矢量在图像信息采集过程中对应于该换能器108的一个定向。一个角度部分内的每个点表示那个矢量内的一个数据点。例如，在所示出的该实施例中，亮度矢量b1包括数据点140、143和146；亮度矢量b2包括数据点141、144和147；并且亮度矢量b3包括数据点142、145和148。
如所论述的，矢量可以表示角度的范围以便通常包括表示一个患者的血管结构的一个角度部分的数据。因此，邻近的矢量可以包括表示血管结构的重叠部分的数据。足够数量的矢量可以有效地表示该血管结构的一个全360°图像。该足够的数量取决于由每个矢量包围的该角宽度以及每个矢量的重叠的量。矢量和它们包括的这些数据点可以，例如，组成表示该成像的血管结构的一个极坐标，其中包含一个数据点的该矢量对应于那个点的角坐标，并且该矢量内的该数据点的位置对应于那个点的径向位置。
包括低频亮度数据的矢量可以被用来生成一个表示由该导管组件接收的该图像信息的显示。该显示可以彩色、黑白、灰度或者任意其他所希望的调色板显示，并且可以包括一组像素，每个像素表示具有亮度数据的一个数据点。每个像素的该亮度和/或色彩可以直接对应于在该相应的数据点中表示的该亮度数据。在一些实施例中，即使高频噪声已经从该图像信息(诸如参考相干滤波所描述的)被降低，被用来生成该显示的该低频亮度数据可以包含低频噪声。
在一些实施例中，该血管内成像引擎可以被配置成用于处理和组合该低频亮度数据以便降低该低频噪声。这样的处理可以包括滤波和求平均值中的一者或二者。在一些实例中，该系统可以包括被配置成用于从该包络检测模块接收数据用于进一步处理的空间滤波器。该空间滤波器可以被配置成用于将该第二组矢量的矢量分组到经处理的矢量组中。该经处理的矢量组中的每一个可以包括来自该第二组矢量的任意数量的矢量。
该空间滤波器可以被配置成用于基于该第二组矢量中的数据生成一组增强的矢量。例如，在一些实例中，该空间滤波器可以执行每个经处理的矢量组的矢量的数据点的比较。这些比较可以在，例如，每个经处理的矢量组中的这些矢量中的类似的或者邻近的径向位置处执行。所得组的增强矢量中的每个矢量可以表示该经处理的矢量组中的一个中的这些矢量。该组增强的矢量中的每个矢量可以包括一组增强的数据点。在一些实例中，该组增强的矢量中的每个矢量中的该组增强的数据点可以具有与该第二组矢量中的每个矢量中的该第二组数据同样多的数据点。
在一些系统中，经由该空间滤波器处理该第二组矢量可以包括亮度数据的空间滤波。空间滤波的实例可以包括将数据点与一组空间上接近的附加数据点一起求平均值。空间上接近的数据点可以是极坐标表示处于彼此的一些预定的距离内的数据点。在一个360°图像表示中，平均点可以包括，例如，在一个特定点的一个特定空间距离内的所有数据点—一种被称为近端平均的技术。参考图4A，例如，点144可以被处理成与每个紧邻点140-148一起被求平均值。在各种实施例中，被用来限定该平均过程的该空间要求可以被预定或者由一个用户设定。
空间滤波的另一实例可以包括对在一个特定点的一个特定空间距离内以及在与该特定点相同的矢量内的所有数据点求平均值—一种被称为径向平均的技术。例如，点140、141和142可以沿着线160求平均值以便在141处生成空间上被滤波的数据。又一空间滤波实例可以包括对在一个特定点的一个特定距离内并且在它们的相应矢量内具有相同径向位置的所有数据点求平均值—一种被称为角平均的技术。例如，点141、144和147可以沿着线150求平均值以便在144处生成空间上被滤波的数据。空间滤波可以涉及一个中值滤波器，该中值滤波器可以用于最小化异常值的影响。
总的来说，空间滤波可以包括求平均值或者组合经由近端数据点的任意其他选择选定的数据的其他方法。空间滤波可以包括在对剩余组的数据求平均值之前将异常值从一组数据中去除。在一些实施例中，滤波操作可以在逐点的基础上确定。例如，不是所有数据点将必须在一个给定的空间尺寸内具有相同数量的周围数据点。在空间上滤波该低频亮度数据可以用来降低被包含在其中的该低频噪声，从而有效地提高了该SNR。
可以参考图4B描述空间滤波的又一实例。图4B是一个图像信息数据的示例性子集，其中4个矢量c1、c2、c3和c4各自包括三个数据点。每个矢量(c1-c4)对应于一个角坐标，而每个矢量内的每个数据点对应于一个极坐标表示中的一个径向位置。在一些实例中，根据图4B，矢量c1-c4是从一个包络检测步骤得到的该第二组矢量中的矢量。在一个示例性空间滤波步骤中，矢量c1-c4可以通过该空间滤波器被分组到一个经处理的矢量组161中。该经处理的矢量组通常可以包括来自该第二组矢量的任意适合数量的矢量并且通常包括多个矢量。在图4B的说明性实施例中，该经处理的矢量组161包括四个矢量(c1-c4)。该空间滤波器可以基于每个经处理的矢量组内的这些矢量(诸如c1-c4)中的数据点的比较来生成一组增强的矢量。
在一个示例性过程中，该空间滤波器可以基于位于类似的或者邻近的径向位置(例如，包括图4A和4B中的点140、143和146的径向位置)处的每个经处理的矢量组的矢量的数据点彼此之间的比较来生成该组增强的矢量。在一些实例中，该组增强的矢量中的每个矢量表示这些经处理的矢量组中的一个的这些矢量。参考图4，经处理的矢量组161可以用来生成该组增强的矢量中的一个矢量。在一个示例性方法中，分析位于一个第一径向位置(处的点例如，点143、144、145、152)，并且具有最高值的该数据点被排除在该分析之外。接着类似地分析具有紧邻的径向位置的点(例如，点140、141、142和151，以及点146、147、148、153)，并且位于每个径向位置处的该最高值数据点被排除。根据该说明性实施例，在该12个数据点(140-148、151-153)中，三个为每个径向距离处的该最高值数据点的数据点被排除。剩余的九个数据点可以被比较来生成用于该所得增强矢量中的该第一径向位置的一个数据点入口。例如，该剩余的九个数据点的中值可以被用作位于该所得增强矢量中的该第一径向位置处的该相应的数据点。可以在该第二组矢量中的这些矢量的每个径向位置处执行一个类似的分析，并且因此，该组增强的矢量中的每个矢量可以包括一组增强的数据点，该组增强的数据点具有与该第二组数据点相同数量(即，第二组矢量中的每个矢量中的数据点的数量)的数据点。
各种处理已经被描述，其中高频噪声被降低，高频数据被转换成低频数据，并且低频噪声被降低。在一些实施例中，这些步骤可以被聚集成一个多步骤过程以便产生一个高分辨率血管内图像。图5是示出生成高分辨率血管内图像的多步骤过程的一个过程流程图。在一个示例性实施例中，血管内成像引擎可以从该换能器接收高频图像信息162。在一些实施例中，图像信息是一系列矢量的形式。在其他实施例中，该血管内成像引擎可以生成表示该接收的图像信息的矢量164。矢量生成可以包括数字化从该换能器接收的模拟图像信息。在一些实施例中，该高频图像信息可以包括原始射频(RF)图像信息。该血管内成像引擎可以使用相干滤波(例如，求平均值的形式)处理该接收的高频图像信息以便降低该高频噪声166。该相干滤波处理可以产生表示从该换能器接收的该图像信息、具有降低的高频噪声的一系列高频“超级矢量”。
这些“超级矢量”可以通过被并行安排并且被配置成用于同时处理多个相等的“超级矢量”的多个包络检测器168。这些包络检测器可以将这些高频“超级矢量”转换成低频亮度矢量，这些低频亮度矢量包括表示从该换能器接收的该图像信息的亮度数据。这些亮度矢量可以表示例如，极坐标中的图像信息，其中每个矢量的每个数据点表示一个角分量和径向分量。
来自这些亮度矢量的数据可以经受空间滤波170，其包括，例如，近端、角度或者径向平均，以便降低该低频亮度数据中的该低频噪声。该血管内成像引擎可以包括一个被配置成用于生成174一个表示从该换能器接收的该图像信息的图像的图像生成器。该图像生成器可以被配置成用于基于成像信息的一个增强帧生成一个图像，该增强帧包括来自该组增强的矢量中的每个矢量的数据。
包括相干滤波、包络检测和空间滤波的方法可以将从该换能器接收的原始高频图像信息处理成低频亮度数据，其中高频和低频噪声两者已经被显著降低。这些方法可以有效地降低全频范围的图像噪声，其中由该高频和低频噪声降低影响的该频率范围至少部分地重叠。这样的噪声降低可以显著地改善该图像信息的SNR。
如所提及，在一些实施例中，该血管内成像系统包括一个显示器，该显示器被联接到该成像引擎上并且被配置成用于显示由该图像生成器生成的该图像。因此，在一些实施例中，该在空间上滤波的亮度数据可以在该显示器上被显示为一个血管内图像。如在此所论述的，在高频下获取的图像信息趋于比在低频下获取的图像信息强度更小，并且因此可能很难在该显示器上观察全部细节。然而，因为显示之前的这些处理步骤已经有效地降低了该高频和低频噪声并且显著地改善了该SNR，增益可以被应用来放大172该在空间上滤波的亮度数据以用于显示，而由于使图像模糊无需也放大噪声。因此，这样一个系统可以利用由高频成像可获取的该高分辨率，同时克服通常与它相关联的缺点。
在一些系统中，在空间上滤波该亮度数据之后以及显示之前，可以执行随后的处理步骤。例如，伽马滤波可以被采用来将该数据转换成一个监测器(如果它仍未处于该显示能力内)的显示能力并且确定一个适合水平的对比度以便结合到最终图像中。在一些实施例中，鉴于监测器可以显示比眼睛可以区别的更宽范围的亮度/色彩，伽马滤波可以帮助匹配人眼的检测能力。瞬时帧滤波(TFF)可以被采用，其中具有大致相同位置的一系列图像被处理以便使逐帧显示相对稳定的组织特征的图像区域(例如，管壁，管腔血液)变平滑并且以便保持(不是滤波)图像区域中的信息，在这些图像区域中组织特征逐帧变化(例如，官腔边缘位置变化)。在一些实例中，TFF可以执行局部滤波而不是在整个帧中执行相同的滤波。在一些实例中可以采用扫描转换。扫描转换涉及从极坐标转换成笛卡儿坐标。该数据可以一种格式被存储，该格式与该血管的解剖无关(例如，数据与换能器的旋转角度无关)。这可以被称为极坐标格式(r-theta)。该数据可以通过扫描转换被映射到该解剖。
图6是示出图像信息从该换能器108到一个显示器114的流动的一个说明性系统级框图。该换能器108可以在一个患者的血管内发射并接收能量并且可以基于该接收的能量将高分辨率和高频图像信息传输到该血管内成像引擎112。在一些实施例中，这些信号包括模拟信号。在此类实施例中，这些模拟信号可以通过一个模拟-数字转换器(ADC)122以便将该数据数字化成图像信息矢量。所得图像信息矢量可以是一组原始矢量的形式，该所得图像信息矢量可以通过一个相干滤波器124，从而可以降低该图像信息中的高频噪声的量并且产生第一组矢量。在一些实例中，
第一组矢量可以被指定为“超级矢量”，并且可以包括与来自该组原始矢量的相关联矢量相同数量的数据点。在一些实例中，该组原始矢量由4096个矢量组成，这些矢量被处理成2048个“超级矢量”，这样使得第一组矢量由2048个矢量组成。
来自第一组矢量的“超级矢量”可以从该相干滤波器124发送到多个包络检测器126a、126b…126n，这些包络检测器被并行安排以便处理这些“超级矢量”以便生成第二组矢量，这些第二组矢量可以被认为是低频亮度矢量。在一些实例中，第二组矢量中的低频亮度矢量包括比来自第二组矢量的这些相关联“超级矢量”更少的数据点。在一些实例中，这些超级矢量与这些低频亮度矢量之间的数据点的数量的减少可以是减少至五分之一、十分之一或者其他适合的缩放因子，这样使得第二组矢量中的每个矢量提供第一组矢量中的相应矢量的一个准确低频表示。在一些实例中，第二组矢量可以包括与包括“超级矢量”的第一组矢量相同数量的低频亮度矢量。
第二组矢量中的这些亮度矢量可以被移动到一个空间滤波器128，该空间滤波器被配置成用于减少来自这些亮度矢量的低频噪声的量。该空间滤波器128可以将来自第二组矢量的这些亮度矢量分组到经处理的矢量组中。这些经处理的矢量组内的数据可以在该空间滤波器128中被比较以便生成一组增强的矢量，每个矢量包括一组增强的数据点。在该组增强的矢量中的在空间上滤波的亮度矢量可以包括与该第二组矢量的这些低频亮度矢量相同数量的数据点。在一些实例中，该空间滤波器128可以减少矢量的数量。例如，在生成该组增强的矢量时，该空间滤波器128可以将第二组矢量中的矢量的数量减少至四分之一。也就是说，位于该空间滤波器128的输出端处的该组增强的矢量可以包括输入到该空间滤波器128的第二组矢量的四分之一的矢量。该组增强的矢量可以被整体地组合来形成成像数据的一个增强的帧。
该组增强的矢量中的这些所得的在空间上滤波的亮度矢量可以被移动到一个放大器和/或随后的处理部件130(诸如伽马滤波或者瞬时帧滤波)以便使该数据准备用于显示。部件130可以包括一个图像生成器，该图像生成器用于基于成像信息的该增强帧生成一个图像。该生成的图像可以被发送到显示器114以用于实时显示具有降低的高频和低频噪声的一个患者的血管结构。
如所描述的，示例性血管内成像系统可以包括一个血管内成像引擎112，该血管内成像引擎被配置成用于从一个导管组件102内的一个换能器108接收图像信息。该图像信息可以被处理并且显示在一个显示器114上。在许多系统中，该换能器108被配置成用于在该患者内纵向移动以便成像多个位置。因此，这对于生成一个实时显示是有利的，这样使得该血管内成像系统的一个用户可以在该换能器108移动通过该患者时观察该血管结构。如在此描述的这些处理步骤可以一种方式执行，这样使得从高频图像信息采集生成的高分辨率图像可以一个恒定的帧速率来实时显示。在一些实施例中，该帧速率可以是每秒30到60帧的范围。在一些实施例中，该帧速率可以高达每秒160帧。
在一些血管内成像系统中，一个用户可以经由该用户界面120启动在此描述的任意处理程序。一个系统操作者可以，例如，经由该用户界面120启动高分辨率、高频成像并且实时观察一个患者的血管结构的高分辨率体内图像信息。该系统操作者可以使用该接收的信息以便经由该用户界面120沿一个所希望的方向在该患者内平移该换能器108，同时继续观察该成像的结构。在此描述的过程可以被编码在非暂态计算机可读介质中，该非暂态计算机可读介质包含用于致使一个处理器执行此类过程的可执行指令。非暂态计算机可读介质可以被包括在存储器中，该存储器处于该血管内成像引擎112中。
已经描述了用于血管内成像的系统和方法的各种实例。将理解，这些和其他处于本发明的范围内。

Claims (19)

1.一种用于产生高清晰度血管内图像的系统，包括：
一个血管内成像导管组件，该血管内成像导管组件被配置成用于生成包括一组原始矢量的成像信息的一个原始帧，其中该组原始矢量的每个矢量包括一组原始数据点；以及
一个成像引擎，该成像引擎被联接到该血管内成像导管组件上并且被配置成用于从该血管内成像导管组件接收成像信息的该原始帧并且产生包括一组增强的矢量的成像信息的一个增强帧，该成像引擎包括：
(a)一个相干滤波器，该相干滤波器被配置成用于
(i)将该组原始矢量的矢量分组到多个原始矢量组中，并且
(ii)基于位于类似的径向位置处的每个原始矢量组的矢量的数据点彼此之间的比较生成第一组矢量，其中该第一组矢量的每个矢量
(A)表示所述多个原始矢量组中的一个原始矢量组的矢量，并且
(B)包括具有与该组原始数据点相同数量的数据点的第一组数据点，(b)一个包络检测模块，该包络检测模块包括多个包络检测器，所述多个包络检测器被并行安排并且被配置成用于基于每个第一组数据点内的数据点彼此之间的比较生成第二组矢量，其中
(i)该第二组矢量的每个矢量包括第二组数据点，该第二组数据点具有比第一组数据点更少数量的数据点，所述更少数量的数据点表示该第一组数据点的数据点，
(ii)该第二组矢量包括与该第一组矢量相同数量的矢量，
(iii)在该包络检测模块中的并行的包络检测器的数量等于与所述多个原始矢量组中的每一个原始矢量组相关联的第一组矢量中的矢量的数量，这样使得
(A)对于每个原始矢量组来说，与那个原始矢量组相关联的第一组矢量中的每个矢量被并行的所述多个包络检测器中的相应一个包络检测器并行地处理，并且
(B)每个包络检测器生成该第二组矢量的子集，以及
(c)一个空间滤波器，该空间滤波器被配置成用于
(i)将该第二组矢量的矢量分组到多个经处理的矢量组中，并且
(ii)基于位于类似的且邻近的径向位置处的每个经处理的矢量组的矢量的数据点彼此之间的比较生成该组增强的矢量，其中该组增强的矢量的每个矢量
(A)表示所述多个经处理的矢量组中的一个经处理的矢量组的矢量，并且
(B)包括具有与该第二组数据点相同数量的数据点的一组增强的数据点，以及
(d)一个图像生成器，该图像生成器被配置成用于基于成像信息的该增强帧生成一个图像。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述多个原始矢量组各自由两个矢量组成。
3.如权利要求2所述的系统，其中该组原始矢量具有4096个矢量并且该第一组矢量具有2048个矢量。
4.如权利要求2所述的系统，其中该组原始矢量具有2048个矢量并且该第一组矢量具有1024个矢量。
5.如权利要求2所述的系统，其中该组原始矢量具有1024个矢量并且该第一组矢量具有512个矢量。
6.如权利要求1所述的系统，其中位于类似的径向位置处的每个原始矢量组的矢量的数据点彼此之间的比较包括所述数据点的平均值。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述平均值包括标准均值计算。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述多个经处理的矢量组各自由四个矢量组成。
9.如权利要求8所述的系统，其中位于类似的且邻近的径向位置处的每个经处理的矢量组的矢量的数据点彼此之间的比较包括位于类似的且紧邻的径向位置处的每个经处理的矢量组的矢量的数据点彼此之间的比较。
10.如权利要求9所述的系统，其中位于类似的且紧邻的径向位置处的每个经处理的矢量组的矢量的数据点彼此之间的每次比较包括：
识别位于所述类似的且紧邻的径向位置的每个径向位置处的一个最高值数据点，将每个所述最高值数据点从该比较排除，确定来自剩余的数据点的一个中值数据点，并且将该中值数据点用作该组增强的数据点中的该径向位置处的对应数据点。
11.如权利要求1所述的系统，其中该系统是一个IVUS系统。
12.如权利要求1所述的系统，其中该高清晰度血管内图像被生成并且被实时地显示。
13.一种用于产生高清晰度血管内图像的系统，包括：
一个成像引擎，该成像引擎被联接到一个血管内成像导管组件上并且被配置成用于从该血管内成像导管组件接收成像信息的一个原始帧，该成像信息的原始帧包括一组原始矢量，其中该组原始矢量的每个矢量包括一组原始数据点，该成像引擎进一步被配置成用于产生包括一组增强的矢量的成像信息的一个增强帧，该成像引擎包括：
(a)一个相干滤波器，该相干滤波器被配置成用于
(i)将该组原始矢量的矢量分组到多个原始矢量组中，并且
(ii)基于位于类似的径向位置处的每个原始矢量组的矢量的数据点彼此之间的比较生成第一组矢量，其中该第一组矢量的每个矢量
(A)表示所述多个原始矢量组中的一个原始矢量组的矢量，并且
(B)包括具有与该组原始数据点相同数量的数据点的第一组数据点，(b)一个包络检测模块，该包络检测模块包括多个包络检测器，所述多个包络检测器被并行安排并且被配置成用于基于每个第一组数据点内的数据点彼此之间的比较生成第二组矢量，其中
(i)该第二组矢量的每个矢量包括第二组数据点，该第二组数据点具有比该第一组数据点更少量的数据点，所述更少量的数据点表示该第一组数据点的数据点，
(ii)该第二组矢量包括与该第一组矢量相同数量的矢量，并且
(iii)在该包络检测中的并行的包络检测器的数量等于与所述多个原始矢量组中的每一个相关联的第一组矢量中的矢量的数量，这样使得
(A)对于每个原始矢量组来说，与那个原始矢量组相关联的第一组矢量中的每个矢量被并行的所述多个包络检测器中的相应一个包络检测器并行地处理，并且
(B)每个包络检测器生成该第二组矢量的子集，以及
(c)一个空间滤波器，该空间滤波器被配置成用于
(i)将该第二组矢量的矢量分组到多个经处理的矢量组中，并且
(ii)基于位于类似的且邻近的径向位置处的每个经处理的矢量组的矢量的数据点彼此之间的比较生成该组增强的矢量，其中该组增强的矢量的每个矢量
(A)表示所述多个经处理的矢量组中的一个经处理的矢量组的矢量，并且
(B)包括具有与该第二组数据点相同数量的数据点的一组增强的数据点，以及
(d)一个图像生成器，该图像生成器被配置成用于基于成像信息的该增强帧生成一个图像；以及
一个显示器，该显示器被联接到该成像引擎上并且被配置成用于显示由该图像生成器生成的该图像。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述多个原始矢量组各自由两个矢量组成，并且该组原始矢量具有4096个矢量并且该第一组矢量具有2048个矢量。
15.如权利要求13所述的系统，其中位于类似的径向位置处的每个原始矢量组的矢量的数据点彼此之间的比较包括所述数据点的标准均值计算。
16.如权利要求13所述的系统，其中所述多个经处理的矢量组各自由四个矢量组成。
17.如权利要求16所述的系统，其中位于类似的且邻近的径向位置处的每个经处理的矢量组的矢量的数据点彼此之间的比较包括位于类似的且紧邻的径向位置处的每个经处理的矢量组的矢量的数据点彼此之间的比较。
18.如权利要求17所述的系统，其中位于类似的且紧邻的径向位置处的每个经处理的矢量组的矢量的数据点彼此之间的每次比较包括：
识别位于所述类似的且紧邻的径向位置的每个径向位置处的一个最高值数据点，将每个所述最高值数据点从该比较排除，确定来自剩余的数据点的一个中值数据点，并且将该中值数据点用作该组增强的数据点中的该径向位置处的对应数据点。
19.一种用于产生高清晰度血管内图像的系统，包括：
一个成像引擎，该成像引擎被联接到血管内成像导管组件上并且被配置成用于从该血管内成像导管组件接收成像信息的原始帧并且产生成像信息的一个增强帧，该成像引擎包括一个相干滤波器、一个包络检测模块、一个空间滤波器以及一个图像生成器，以及
一个显示器，该显示器被联接到该成像引擎上并且被配置成用于显示由该图像生成器生成的该图像，其中
该相干滤波器被配置用于：接收成像信息的该原始帧中包括的多个原始矢量，将所述多个原始矢量分组到多个原始矢量组中，以及处理每个原始矢量组以便生成与该原始矢量组相关联的第一组矢量，其中，处理每个原始矢量组包括将所述原始矢量组中的每个矢量的数据点与位于类似的径向位置处的另一矢量的数据点进行比较；并且
该包络检测模块包括被并行安排的多个包络检测器，并且其中该多个包络检测器中的并行的包络检测器的数量等于与每个原始矢量组相关联的第一矢量组中的矢量，这样使得
对于每个原始矢量组来说，与那个原始矢量组相关联的第一矢量组中的每个矢量被并行的所述多个包络检测器中的相应一个包络检测器并行地处理。
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