本發(fā)明涉及超聲成像技術(shù)，具體涉及一種采用余弦變換域的延時組合乘疊加算法的超聲波束形成方法。

背景技術(shù)：

在臨床診斷和治療中，醫(yī)學(xué)超聲成像憑借其無創(chuàng)、無電離輻射、實時性強、使用方便和價格便宜等優(yōu)點受到廣大醫(yī)生和患者的青睞。超聲波束形成是超聲成像系統(tǒng)中的關(guān)鍵步驟,影響著圖像的分辨率和對比度。延時疊加(delay-and-sum，das)方法是應(yīng)用最廣泛的波束形成方法,然而由于其形成的波束具有較高的旁瓣水平和較寬的主瓣寬度，因此具有較低的抑制噪聲能力和較低的空間分辨率。如何提高超聲成像質(zhì)量成為該研究領(lǐng)域的一個重要熱點問題。

為了提高超聲波束形成的圖像質(zhì)量，自適應(yīng)波束形成方法應(yīng)運而生。最小方差(minimumvariance,mv)波束形成方法是應(yīng)用最廣泛的自適應(yīng)波束形成方法。然而最小方差波束形成方法的主要局限在于其計算復(fù)雜度較高，硬件開銷大，實時成像效果差。為了克服該問題，迫切需要出現(xiàn)具有較高成像質(zhì)量、較低計算復(fù)雜度的波束形成方法。現(xiàn)有的降低計算復(fù)雜度的波束形成方法主要分為兩大類：陣列域的波束形成方法和變換域的波束形成方法。延時組合乘疊加(delaymultiplyandsum，dmas)波束形成是這類方法的代表。dmas方法主要借助于回波信號的空間互相關(guān)信息，通過成對組合回波信號乘積的平方根來降低波束的旁瓣水平和減小主瓣的寬度。該方法具有較高的成像分辨率和對比度。然而該方法由于沒有考慮回波信號自身的自相關(guān)成分，引起了能量的部分損失；另外由于每個通道的信號需要成對進行組合相乘與平方根運算，大大增加了硬件實現(xiàn)的成本。因此在不增加硬件成本的條件下，怎樣保證提高超聲成像分辨率和對比度的同時降低計算復(fù)雜度來提高幀率，實現(xiàn)快速實時成像，成為一個亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種超聲波束形成方法，可提高超聲成像分辨率和對比度，同時降低計算復(fù)雜度，實現(xiàn)快速實時成像。

本發(fā)明提供一種超聲波束形成方法，包括以下步驟：

設(shè)定超聲傳感器的發(fā)射和接收模式，對接收信號進行數(shù)字化、放大以及濾波處理；

采用余弦變換域的延時組合乘疊加算法對接收信號進行優(yōu)化處理，得到每條掃描線的波束形成輸出；

在超聲波束形成后對所得每條掃描線的波束形成結(jié)果進行包絡(luò)檢波、對數(shù)壓縮、掃描轉(zhuǎn)換以及顯示。

在本發(fā)明的超聲波束形成方法中，所述采用余弦變換域的延時組合乘疊加算法對接收信號進行優(yōu)化處理具體包括以下步驟：

(1)對各通道接收的信號進行延時和聚焦處理得到回波信號；

(2)對回波信號求子陣列信號；

(3)對子陣列信號進行算術(shù)平均得到子陣列平均信號向量；

(4)對子陣列平均信號向量進行離散余弦變換得到波束域信號向量；

(5)對波束域信號向量進行兩兩組合相乘；

(6)對步驟(5)中兩兩組合相乘結(jié)果進行符號運算；

(7)對步驟(5)中兩兩組合相乘結(jié)果進行絕對值運算后再進行開方運算；

(8)對符號運算結(jié)果和開方運算結(jié)果進行乘法運算；

(9)對乘法運算結(jié)果進行疊加求和；

(10)將疊加求和結(jié)果輸入帶通濾波器進行濾波，得到每條掃描線的波束形成輸出。

在本發(fā)明的超聲波束形成方法中，根據(jù)下式對各通道接收的信號進行延時聚焦得到回波信號：

x(t)＝[x1(t),x2(t)...xm(t)]^t，m是接收傳感器通道的總數(shù)，t是時間索引序號，xi(t)表示第i通道接收的經(jīng)過延時后的信號。

在本發(fā)明的超聲波束形成方法中，根據(jù)下式對回波信號求子陣列信號：

xl(t)＝[xl(t),xl+1(t),...,xl+l-1(t)]^t,l＝1,2,...,m-l+1，其中l(wèi)表示子陣列長度，l的取值在1到m/2之間，可作為用戶定義的參數(shù)來調(diào)整該方法的成像性能和魯棒性，l可根據(jù)實際的檢測對象來選擇確定。

在本發(fā)明的超聲波束形成方法中，根據(jù)下式對子陣列信號進行算術(shù)平均得到子陣列平均信號向量：

m是接收傳感器通道的總數(shù)，l表示子陣列長度。

在本發(fā)明的超聲波束形成方法中，根據(jù)下式對子陣列平均信號向量進行離散余弦變換得到波束域信號向量：

其中，是余弦變換矩陣，k,n是矩陣的指標(biāo)索引，k＝1,2,...p+1代表行標(biāo)，n＝1,2,...,l代表列標(biāo)；ti是余弦變換矩陣t的第i行，參數(shù)p的值根據(jù)實際超聲成像所能容許的計算復(fù)雜度來選擇確定，p不超過10。

在本發(fā)明的超聲波束形成方法中，對波束域信號向量進行兩兩組合相乘，得到如下結(jié)果：

在本發(fā)明的超聲波束形成方法中，對波束域信號向量進行兩兩組合相乘的結(jié)果進行符號運算，得到如下結(jié)果：mi,j(t)＝sign(si,j(t)),i＝1,...p,j＝i,...,p+1。

在本發(fā)明的超聲波束形成方法中，對波束域信號向量進行兩兩組合相乘的結(jié)果進行取絕對值和開方運算，得到如下結(jié)果：

在本發(fā)明的超聲波束形成方法中，對符號運算結(jié)果和開方運算結(jié)果進行乘法運算所得結(jié)果為：xi,j(t)＝mi,j(t)qi,j(t),i＝1,...p,j＝i,...,p+1，對上述結(jié)果再進行疊加求和，所得結(jié)果為：

本發(fā)明的超聲波束形成方法至少具有以下有益效果：

1.較強地抑制噪聲和降低旁瓣，提高成像信噪比；

2.圖像的分辨率和對比度大幅度提高，并具有較高的幀率；

3.具有較低的計算復(fù)雜度，易于硬件實現(xiàn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明采用的余弦變換域的延時組合乘疊加算法的流程圖；

圖2a是采用傳統(tǒng)的延時疊加波束形成方法獲得的點狀目標(biāo)仿真圖像；

圖2b是采用最小方差波束形成方法獲得的點狀目標(biāo)仿真圖像；

圖2c是采用波束域最小方差波束形成方法獲得的點狀目標(biāo)仿真圖像；

圖2d是采用本發(fā)明的超聲波束形成方法且波束數(shù)為10時獲得的點狀目標(biāo)仿真圖像；

圖2e是采用本發(fā)明的超聲波束形成方法且波束數(shù)為4時獲得的點狀目標(biāo)仿真圖像；

圖3a是圖2a至圖2e中點目標(biāo)仿真圖像在50mm深度的橫向分辨率圖像；

圖3b是圖2a至圖2e中點目標(biāo)仿真圖像在70mm深度的橫向分辨率圖像；

圖4(a)是采用傳統(tǒng)的延時疊加波束形成方法獲得的吸聲斑仿真圖像；

圖4(b)是采用最小方差波束形成方法獲得的吸聲斑仿真圖像；

圖4(c)是采用波束域最小方差波束形成方法獲得的吸聲斑仿真圖像；

圖4(d)是采用本發(fā)明的超聲波束形成方法且波束數(shù)為10時獲得的吸聲斑仿真圖像；

圖4(e)是采用本發(fā)明的超聲波束形成方法且波束數(shù)為4時獲得的吸聲斑仿真圖像；

圖5是50mm深度處吸聲斑圖像的橫向分辨率圖像。

具體實施方式

本發(fā)明的超聲波束形成方法，包括以下步驟：

設(shè)定超聲傳感器的發(fā)射和接收模式，對接收信號進行數(shù)字化、放大以及濾波處理；

采用余弦變換域的延時組合乘疊加算法對接收信號進行優(yōu)化計算，得到每條掃描線的波束形成輸出；

在超聲波束形成后對所得每條掃描線的波束形成結(jié)果進行包絡(luò)檢波、對數(shù)壓縮、掃描轉(zhuǎn)換以及顯示。

圖1為本發(fā)明的超聲波束形成方法的詳細流程圖。在該特定實施例中，使用了線陣成像模式。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明也可適用于其他成像模式，比如相控陣成像和合成孔徑超聲成像等。具體采用的余弦變換域的延時組合乘疊加算法包括以下步驟：

(1)對各通道接收的信號進行延時和聚焦處理得到回波信號；

(2)對回波信號求子陣列信號；

(3)對子陣列信號進行算術(shù)平均得到子陣列平均信號向量；

(4)對子陣列平均信號向量進行離散余弦變換得到波束域信號向量；

(5)對波束域信號向量進行兩兩組合相乘；

(6)對步驟(5)中兩兩組合相乘結(jié)果進行符號運算；

(7)對步驟(5)中兩兩組合相乘結(jié)果進行絕對值運算后再進行開方運算；

(8)對符號運算結(jié)果和開方運算結(jié)果進行乘法運算；

(9)對乘法運算結(jié)果進行疊加求和；

(10)將疊加求和結(jié)果輸入帶通濾波器進行濾波，得到每條掃描線的波束形成輸出。

在步驟(1)中根據(jù)下式對各通道接收的信號進行延時聚焦得到回波信號：x(t)＝[x1(t),x2(t)...xm(t)]^t；其中，m是接收傳感器通道的總數(shù)，t是時間索引序號，xi(t)表示第i通道接收的經(jīng)過延時后的信號。

在步驟(2)中根據(jù)下式對回波信號求子陣列信號：xl(t)＝[xl(t),xl+1(t),...,xl+l-1(t)]^t,l＝1,2,...,m-l+1；其中，l表示子陣列長度。l的取值在1到m/2之間，可作為用戶定義的參數(shù)來調(diào)整該方法的成像性能和魯棒性，l可根據(jù)實際的超聲成像應(yīng)用，即所關(guān)注的檢測對象來選擇確定。優(yōu)選地，l可取m/3。

在步驟(3)中根據(jù)下式對子陣列信號，即所有的xl(t),l＝0,1,...,m-l+1進行算術(shù)平均計算，得到子陣列平均信號向量：

m是接收傳感器通道的總數(shù)，l表示子陣列長度。

在步驟(4)中根據(jù)下式對子陣列平均信號向量進行離散余弦變換得到波束域信號向量：

其中，是余弦變換矩陣，k,n是矩陣的指標(biāo)索引，k＝1,2,...p+1代表行標(biāo)，n＝1,2,...,l代表列標(biāo)；ti是余弦變換矩陣t的第i行。參數(shù)p的值可以根據(jù)實際超聲成像所能容許的計算復(fù)雜度來選擇確定，一般p不超過10。優(yōu)選地，取p＝4。

對波束域信號向量進行兩兩組合相乘,得到如下結(jié)果：

對波束域信號向量進行兩兩組合相乘的結(jié)果進行符號運算，得到如下結(jié)果：mi,j(t)＝sign(si,j(t)),i＝1,...p,j＝i,...,p+1。

對波束域信號向量進行兩兩組合相乘的結(jié)果進行取絕對值和開方運算,得到如下結(jié)果：

對符號運算結(jié)果和開方運算結(jié)果進行乘法運算結(jié)果為：

xi,j(t)＝mi,j(t)qi,j(t),i＝1,...p,j＝i,...,p+1。對乘法運算所得結(jié)果進行疊加求和結(jié)果為：

對步驟(9)所得疊加求和結(jié)果進行帶通濾波，得到每條掃描線的波束形成輸出，所選濾波器的中心頻率為2-6mhz。

具體地，成像的過程及效果將通過下面的仿真實驗實例來說明。

圖2a至圖2e所示是使用不同的波束形成方法和不同波束數(shù)所獲得的點目標(biāo)仿真圖像。其中，圖2a是由傳統(tǒng)的延時疊加(das，delay-and-sum)波束形成方法獲得的點狀目標(biāo)仿真圖像；圖2(b)是最小方差(mv，minimum-variance)波束形成方法獲得的點狀目標(biāo)仿真圖像；圖2(c)是波束域最小方差(bsmv，beam-space-minimum-variance)波束形成方法獲得的點狀目標(biāo)仿真圖像；圖2(d)是本發(fā)明的余弦變換域延時組合乘疊加(bsdmas，beam-space-delay-mutiply-and-sum)算法獲得的點狀目標(biāo)仿真圖像，該實施例中波束數(shù)為10；圖2(e)是本發(fā)明的余弦變換域延時組合乘疊加(bsdmas，beam-space-delay-mutiply-and-sum)算法獲得的點狀目標(biāo)模仿真圖像，該實施例中波束數(shù)為4。

該實驗是通過fieldii超聲成像仿真軟件來完成的。所設(shè)計的點目標(biāo)包含9個點目標(biāo)。該點目標(biāo)分布在深度為40mm到80mm處。所仿真的線性傳感器陣列有128個陣元，相鄰陣元中心的間距是半個中心波長，切口為0.03毫米。陣元高度為10毫米，中心頻率和采樣頻率分別為4和100mhz。實驗采用固定發(fā)射聚焦(聚焦深度在50毫米處)和動態(tài)接收聚焦。實驗?zāi)M傳統(tǒng)的b模式成像方式，掃描范圍為含有65條掃描線的矩形區(qū)域。在波束形成之前，對接收的通道信號添加額外的高斯噪聲(相對于接收信號的snr為60db)，用來模擬實際環(huán)境。

對于每一條掃描線的重建，傳感器發(fā)射聚焦脈沖并接收回波信號。在完成延時聚焦之后，根據(jù)本發(fā)明提出的方法得到各自的波束形成輸出。緊接著，對每條掃描線進行包絡(luò)檢波，對數(shù)壓縮以及坐標(biāo)掃描轉(zhuǎn)換(含雙線性插值)及圖像顯示。圖2a至圖2e中所有圖像的動態(tài)顯示范圍為60db。需要說明的是余弦域延時組合乘疊加算法可基于接收的實信號或者復(fù)解析信號來計算。本實例中采用的是后者。通道接收信號的復(fù)解析形式可通過對其希爾伯特變換來獲得。

從圖2a至圖2e可以看出，本發(fā)明提出的余弦域延時組合乘疊加波束形成方法對點狀目標(biāo)的仿真圖像具有較好的分辨率和對比度。不論在遠場和近場處，該方法都能對噪聲有較好地抑制，很好地提高了圖像的橫向分辨率。

圖3a是圖2a至圖2e中點目標(biāo)仿真圖像在50mm深度的橫向分辨率圖像；圖3b是圖2a至圖2e中點目標(biāo)仿真圖像在70mm深度的橫向分辨率圖像。

從圖3a和圖3b可以看出，本發(fā)明提出的算法對于不同的參數(shù)p，相比于延時疊加波束形成方法、最小方差波束形成方法和波束域的最小方差波束形成方法，具有最窄的主瓣和最低的旁瓣水平。

圖4a至圖4e所示為不同波束形成方法對吸聲斑的仿真圖像。其中，圖4(a)是由傳統(tǒng)的延時疊加(das，delay-and-sum)波束形成方法獲得的吸聲斑仿真圖像；圖4(b)是最小方差(mv，minimum-variance)波束形成方法獲得的吸聲斑仿真圖像；圖4(c)是波束域最小方差(bsmv，beam-space-minimum-variance)波束形成方法獲得的吸聲斑仿真圖像；圖4(d)是本發(fā)明的余弦變換域延時組合乘疊加(bsdmas，beam-space-delay-mutiply-and-sum)算法獲得的吸聲斑仿真圖像，該實施例中波束數(shù)為10；圖4(e)是余弦變換域延時組合乘疊加(bsdmas，beam-space-delay-mutiply-and-sum)算法，獲得的吸聲斑仿真圖像，該實施例中波束數(shù)為4。動態(tài)顯示范圍為60db。

本實施例所設(shè)計的是吸聲斑囊腫仿體。在20×10×10mm³體內(nèi)隨機設(shè)置了15000個散射點,其散射幅度服從高斯分布。該囊腫的半徑為5mm，圓心位于50mm深度。仿真環(huán)境與圖2a至圖2e的仿真環(huán)境一致。

從圖4a至圖4e可以看出，本發(fā)明提出的余弦域的延時組合乘疊加算法可以較好地抑制吸聲斑中的雜波，減小斑點方差提高圖像的對比度。

圖5所示是不同波束形成方法所得仿真圖像在50mm深度的橫向分辨率圖像。從圖5可以看出本發(fā)明提出的超聲波束形成方法所得的囊腫圖像和最小方差波束形成所得囊腫圖像相當(dāng)，并且優(yōu)于延時疊加和波束域最小方差波束形成方法。用本發(fā)明提出的波束形成方法所得的囊腫具有清晰的邊界并且接近于圓形。簡而言之，在本實例中，對于吸聲斑囊腫仿體，本發(fā)明的方法具有更好的對比度和噪聲壓縮抑制能力。

此外,本實例也考察了不同的波束數(shù)p對成像質(zhì)量的影響。參數(shù)p提供了一個平衡超聲成像分辨率與幀頻之間關(guān)系的方法。較小的p＝4可以得到更高的幀頻和較好的圖像分辨率和對比度。

總之，本發(fā)明是對傳統(tǒng)成像方法的一種改進措施。它能夠在不增加硬件成本的條件下，提高圖像對比度和空間分辨率的同時，不降低成像幀頻。相對于傳統(tǒng)的波束形成方法，可以更好地適用于醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施實例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改，等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。