壓縮自適應(yīng)波束合成的平面波超聲成像和微泡成像的方法與系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于超聲檢測與超聲成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到壓縮自適應(yīng)超聲波束合成 算法，并結(jié)合平面波超聲發(fā)射，提出一種空時(shí)高分辨率、高信噪比的壓縮自適應(yīng)波束合成的 平面波超聲成像方法與系統(tǒng)，以及一種高幀率、低計(jì)算量的壓縮自適應(yīng)波束合成的平面波 超聲微泡成像方法與系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 延時(shí)疊加（Delay and Sum，DAS)波束合成是超聲成像中傳統(tǒng)、簡單也是應(yīng)用最廣 泛的成像方法，其對不同通道接收到的超聲回波信號施加特定的延時(shí)后再相加求和，得到 目標(biāo)點(diǎn)的聚焦信號。DAS方法采用獨(dú)立于接收回波信號并且采用預(yù)先定義好的、固定的加權(quán) 系數(shù)，沒有充分利用回波數(shù)據(jù)的本身特點(diǎn)，獲得的主瓣寬度過寬，旁瓣高度過高。而且主瓣 寬度和旁瓣高度之間存在著相互制約，即當(dāng)抑制旁瓣水平的同時(shí)會展寬主瓣寬度，因此不 能夠獲得很好的圖像分辨率和對比度。此外，由于平面波超聲較低的聲壓和其非聚焦特性， DAS方法應(yīng)用到基于平面波發(fā)射的超聲成像系統(tǒng)時(shí)，所得圖像有較差的分辨率和對比度。
[0003] 為了提高橫向分辨率和對比度，基于最小方差準(zhǔn)則（Minimum Variance, MV)的自 適應(yīng)波束合成（Adaptive Beamforming)越來越多被應(yīng)用于超聲成像。近年來隨著相關(guān)技術(shù) 的發(fā)展，通過空間平滑、自相關(guān)矩陣估計(jì)、對角線加載等技術(shù)，自適應(yīng)波束合成相較于傳統(tǒng) DAS可以提供更好的橫向分辨率，尤其有益于提高小尺寸目標(biāo)成像的質(zhì)量。但其較復(fù)雜的計(jì) 算過程通常引入更多的計(jì)算量，在實(shí)際使用中，成像系統(tǒng)為了滿足奈奎斯特采樣率，尤其在 高采樣率情況下，會導(dǎo)致較大數(shù)據(jù)量及對應(yīng)的計(jì)算量，從而使得自適應(yīng)波束合成在高幀率、 快速成像上受到限制。因此，如何在保證縱向、橫向及時(shí)間分辨率，降低所需計(jì)算量的情況 下，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)波束合成的快速算法是本領(lǐng)域一個(gè)難題。
[0004] 壓縮感知作為近年來新興的一種采樣理論，其通過開發(fā)信號在某個(gè)可壓縮域中的 稀疏特性，可在遠(yuǎn)低于奈奎斯特采樣率的情況下對信號進(jìn)行采樣獲得離散樣本，然后通過 非線性重建算法高概率的完美重建信號。其在信息論、圖像處理、無線通信、超聲成像等領(lǐng) 域受到高度關(guān)注。通過分析超聲回波信號特性，分析其稀疏結(jié)構(gòu)，并結(jié)合自適應(yīng)波束合成算 法，可有效改進(jìn)波束合成算法的計(jì)算性能。
[0005] 另一方面，傳統(tǒng)B模式（B-mode)成像采用少數(shù)陣元同時(shí)發(fā)射聚焦波束對組織進(jìn)行 透射，然后將接收到的回波信號進(jìn)行波束合成形成一條掃描線。作為發(fā)射單元的全部陣元 按一定規(guī)律移動，最終形成組織的整幅B超圖像。在B模式下，使用自適應(yīng)波束合成算法替 代延時(shí)疊加會顯著提高橫向分辨率和圖像對比度，但逐線掃描（Line-by-line)會引入更 大的計(jì)算量。相比之下，平面波所有換能器陣元同時(shí)發(fā)射平面脈沖波并同時(shí)接收，其與B模 式的主要區(qū)別在于：1幀頻：超高速成像幀頻遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)B超成像；2波束合成：傳統(tǒng)B模式 先進(jìn)行波束合成然后再采集數(shù)據(jù)；超高速成像是先采集數(shù)據(jù)，然后在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行波束合 成。3信號處理：傳統(tǒng)B模式采用序列化路徑，一次只能處理一條或幾條掃描線；超高速成 像采用完整的并行路線，一次可處理全部掃描線。
[0006] 針對微泡在時(shí)間和空間上的離散特性，以主動空化檢測為代表的聲學(xué)微泡成像方 法仍以B-Hiode成像方式為主，其利用聲散射和各種聲發(fā)射對微泡活動的微觀現(xiàn)象進(jìn)行二 維成像，并以此理解不同媒介、不同條件下微泡的產(chǎn)生機(jī)制以及更好地控制微泡活動。但 是，對于微泡的瞬態(tài)物理信息，B-mode的Line-by-line方式使得同一幀圖像不同掃描線之 間存在時(shí)間差，且其幀率一般為100Hz，所以時(shí)間分辨率無法滿足對微泡的瞬態(tài)特性研宄。 Fink小組提出一種超快速主動空化成像方法，其用全孔徑沿軸向方向發(fā)射一個(gè)平面波對空 化過程進(jìn)行監(jiān)控，即采用超聲平面波進(jìn)行微泡成像，但由于發(fā)射的是平面波而不是聚焦超 聲波束，其靈敏度和橫向分辨率較差。該小組又將平面波復(fù)合快速超聲成像法用于空化成 核的檢測成像，該方法通過平面波發(fā)射實(shí)現(xiàn)高幀率實(shí)時(shí)成像，并提出不同角度相干波復(fù)合 提高成像信噪比，但是信噪比的提高在一定程度上犧牲了成像幀率，導(dǎo)致成像的時(shí)間分辨 率降低，難以捕捉微泡動態(tài)的瞬間信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種壓縮自適應(yīng)波束合成的平面波超聲成像和微泡成像 的方法與系統(tǒng)。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：
[0009] 一種壓縮自適應(yīng)波束合成的平面波超聲成像方法，包括以下步驟：
[0010] 1)計(jì)算機(jī)采集超聲線陣換能器接收的射頻信號，并將射頻信號從時(shí)域信號轉(zhuǎn)換為 頻域信號；
[0011] 2)按照射頻信號頻域信息分布，選取頻域上有效帶寬內(nèi)的頻點(diǎn)，對有效帶寬內(nèi)的 頻點(diǎn)進(jìn)行按比率的隨機(jī)抽取；
[0012] 3)對所抽取的頻點(diǎn)構(gòu)造穩(wěn)健自相關(guān)矩陣，并計(jì)算該頻點(diǎn)所對應(yīng)的最小方差自適應(yīng) 波束合成最優(yōu)加權(quán)系數(shù)，從而得到該頻點(diǎn)的最優(yōu)輸出；
[0013] 4)按照步驟3)遍歷所有抽取的頻點(diǎn)，并由壓縮感知理論重建有效帶寬的頻域信 息，然后重建整個(gè)頻域信息；將整個(gè)頻域信息變換到時(shí)域并通過射頻信號成像算法實(shí)現(xiàn)成 像。
[0014] 優(yōu)選的，考慮到算法的魯棒性，所述頻點(diǎn)抽取比率為30%~40% ;優(yōu)選的，對于超 聲線陣換能器中某一陣元的超聲接收信號，可視為系統(tǒng)沖激響應(yīng)和散射子信號卷積疊加的 結(jié)果，變換到頻域?yàn)橄喑说慕Y(jié)果，即Y = Σ H ( ω ) S ( ω )。對于空間有限散射子，其在空間分 布對于整個(gè)成像域是極少或者有限個(gè)，因而其在頻域上也是可稀疏化的。根據(jù)壓縮感知理 論：γ = HS = Φδ。即系統(tǒng)沖擊響應(yīng)的頻域表達(dá)可作為接收信號的稀疏基對接收信號進(jìn)行 頻域上的稀疏處理。以某單點(diǎn)散射目標(biāo)的回波信號作為系統(tǒng)沖擊響應(yīng)h (t)，對h (t)做傅里 葉變換得到稀疏基H，并對應(yīng)有效帶寬，選取稀疏基子集H(K)，優(yōu)選的，壓縮感知重建中采 用多點(diǎn)正則化欠定系統(tǒng)聚焦求解算法估計(jì)投影系數(shù)向量，并根據(jù)投影系數(shù)向量以及稀疏基 子集得到有效帶寬的最優(yōu)輸出。
[0015] 所述壓縮自適應(yīng)波束合成的平面波超聲成像方法，具體包括以下步驟：
[0016] (1)選定陣元輸出以及目標(biāo)點(diǎn)并根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)位置計(jì)算波束合成的有效陣元數(shù)大小 M ；
[0017] (2)根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)位置對M個(gè)陣元通道接收信號計(jì)算延時(shí)，得到延時(shí)后的信號 X(t)：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種壓縮自適應(yīng)波束合成的平面波超聲成像方法，其特征在于：包括以下步驟： 1) 計(jì)算機(jī)采集超聲線陣換能器接收的射頻信號，并將射頻信號從時(shí)域信號轉(zhuǎn)換為頻域 信號； 2) 按照射頻信號頻域信息分布，選取頻域上有效帶寬內(nèi)的頻點(diǎn)，對有效帶寬內(nèi)的頻點(diǎn) 進(jìn)行按比率的隨機(jī)抽??； 3) 對所抽取的頻點(diǎn)構(gòu)造穩(wěn)健自相關(guān)矩陣，并計(jì)算該頻點(diǎn)所對應(yīng)的最小方差自適應(yīng)波束 合成最優(yōu)加權(quán)系數(shù)，從而得到該頻點(diǎn)的最優(yōu)輸出； 4) 按照步驟3)遍歷所有抽取的頻點(diǎn)，并由壓縮感知理論重建有效帶寬的頻域信息，然 后重建整個(gè)頻域信息；將整個(gè)頻域信息變換到時(shí)域并通過射頻信號成像算法實(shí)現(xiàn)成像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種壓縮自適應(yīng)波束合成的平面波超聲成像方法，其特征在 于： 所述頻點(diǎn)抽取比率為30%~40% ;以某單點(diǎn)散射目標(biāo)的回波信號作為系統(tǒng)沖擊響應(yīng)h(t)，對h(t)做傅里葉變換得到稀疏基H，并對應(yīng)