一种基于环形阵列探头的高分辨率超声断层成像方法

1.本发明属于超声成像领域，更具体地，涉及一种基于环形阵列探头的高分辨率超声断层成像方法。


背景技术：

2.超声成像技术是指，利用超声波与成像对象的反射、散射、衍射等相互作用重建出反应物体内部结构和性质的图像的成像技术。超声成像技术广泛应用与临床科室，包括眼科、妇科、产科、消化内科、骨科等。相对于其他影像模式，超声成像技术具有无辐射、实时成像等优点。超声成像模式有反射和透射两种成像模式，临床上目前使用的设备大多属于反射成像技术。随着换能器材料不断优化、电子信息技术高速发展，超声断层成像技术成为超声成像领域的研究热点。
3.超声断层成像技术属于超声成像领域，通过电脉冲信号激励超声探头发射超声波，检测从成像物体散射出来的回波信号，经过电子学采样、处理后形成数字信号，利用这些数据重建出超声断层图像。与普通的b超声成像技术不同的是，超声断层成像技术的接收孔径远远大于普通b超，可以采集物体全方位的信号，因此可以实现透射成像；然而，超声断层成像获取的数据量大，重建算法复杂，故其对数据获取系统、计算机系统性能要求都比传统b超高。
4.超声断层成像技术的反射成像模式属于结构成像，可以提供物体的内部的结构信息，其图像质量的好坏直接影响着医生对病灶的识别和判断。图像分辨率是评价图像质量重要指标，临床上普通b超声的轴向分辨率由探头的频率决定，侧向分辨率由波束宽度决定，所以轴向分辨率一般优于侧向分辨率；基于环形阵列的超声断层成像技术的成像视野位于环内，环形阵列以圆心为中心呈中心对称，轴向分辨率和侧向分辨率形成统一。目前，延迟叠加波束形成算法因为其简单、鲁棒性好成为超声断层成像最常用的反射重建算法，超声断层成像技术采集一次可获得大量的原始数据，如何进一步提高重建的超声断层图像的分辨率，是当前亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于环形阵列探头的高分辨率超声断层成像方法，由此解决如何提高超声断层图像的分辨率的技术问题。
6.为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于环形阵列探头的高分辨率超声断层成像方法，其特征在于，包括：
7.s1，所述环形探头上的各个阵元依次发射超声信号，全部阵元均同时接收并采集超声信号，获得各发射-接收阵元对的回波数据；对成像区域进行网格化处理获得多个网格点；
8.s2，确定某一网格点至外椭圆ck的最短距离d；其中，所述外椭圆ck的焦点为第k个发射-接收阵元对中两阵元的坐标点，长轴ak＝ak`+τ
·
c；
9.其中，ak`为内椭圆ck`的长轴，所述内椭圆ck`以所述第k个发射-接收阵元对中两阵元的坐标点为焦点、以所述某一网格点分别至所述第k个发射-接收阵元对中两阵元的距离之和为长轴，τ为接收信号的脉冲时间宽度，c为声速；k＝n*n，n为阵元个数；
10.s3，根据d小于预设阈值时对应的所有发射-接收阵元对的回波数据计算所述某一网格点的像素值；
11.s4，重复s2-s3，直至遍历所有网格点；
12.s5，基于所有网格点的像素值得到超声断层成像图。
13.优选地，将d小于预设阈值时对应的发射-接收阵元对的回波数据进行对齐后叠加，得到所述各网格点的像素值。
14.优选地，将所述各网格点的像素值进行对数压缩、映射及显示，得到超声断层成像图。
15.优选地，所述预设阈值为ar，其中，a为任意实数，r为轴向分辨率。
16.优选地，将成像区域按照直角坐标进行网格化。
17.优选地，所述各阵元在环形探头上均布分布。
18.按照本发明的第二方面，提供了一种基于环形阵列探头的高分辨率超声断层成像系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
19.所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
20.所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如第一方面所述的方法。
21.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
22.本发明提供的基于环形阵列探头的高分辨率超声断层成像方法，通过将成像区域划分网格得到多个像素点，并遍历所有的发射-接收阵元对和像素点，通过计算其形成的反投影椭圆环的宽度d，选取最优的发射-接收阵元对，重建高分辨率反射图。通过上述方式选择最优的发射-接收阵元对组合，能够提高超声断层成像系统的反射图的空间分辨率，可实现环内任意像素点统一的高分辨率，从而达到控制最终输出图像质量的目的。
附图说明
23.图1为本发明提供的某一发射-接收阵元对在散射点处的椭圆反投影轨迹示意图；
24.图2为本发明提供的探头实际发射的具有一定宽度的超声波示意图；
25.图3为本发明提供的具有一定宽度的发射超声波在散射点处的反投影轨迹示意图之一；
26.图4为本发明提供的具有一定宽度的发射超声波在散射点处的反投影轨迹示意图之二；
27.图5是field ii仿真的环形探头示意图；
28.图6为本发明提供的基于环形阵列探头的高分辨率超声断层成像方法流程示意图。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
30.超声断层成像系统采用环形阵列探头，探头上的每个阵元兼具发射和接收功能，数据获取模式为单发全接，其中一个阵元发射超声波，全环阵元同时接收超声波，经过延迟叠加波束形成算法计算得到低分辨率反射图，顺序发射所有阵元，全环阵元同时接收，依次计算得到若干低分辨率反射图，然后将所有低分辨率发射图相干叠加，最后得到高分辨率发射图。
31.由sa技术可知，对于成像区域内的某个成像点p，其灰度值的确定方法为：分别计算发射阵元到像素点的距离lt和接收阵元到像素点的距离lr。根据直线传播和声速不变的假设，计算从发射到接收的时间t＝(lt+lr)/c，其中c为声速。像素的灰度值与传输后t时刻接收到的回波信号的强度成正比。
32.因此，在发射阵元和接收阵元的位置不变的情况下，只要像素的(lt+lr)相同，其灰度值就相同。灰度值相同的像素点分布在一个椭圆上，以发射阵元位置t和接收阵元位置r为焦点，(lt+lr)为长轴，如图1所示。
33.受限于探头材料属性，如图2-3所示，超声的时域激励信号具有一定宽度，信号带宽有限；而经过延迟叠加算法，散射点通过发射-接收对的rf数据反投影在图像域后，会形成一定宽度的椭圆信号，即一定宽度的发射超声波在散射点处的反投影轨迹为一椭圆环；多组发射-接收对形成多个反投影椭圆带在聚焦点处叠加，如果存在散射点，随着叠加次数增加，散射点处出的灰度值逐渐增强。
34.如图1所示，当确定了发射阵元、接收阵元和成像点后，根据延迟叠加波束形成算法的原理，在图像域可以唯一确定一个椭圆环，椭圆环具有一定宽度，其宽度d与激励脉冲的带宽有关，即与探头频带相关；另外椭圆宽度与发射阵元、接收阵元、成像点的空间位置相关，即反投影轨迹为椭圆环。可以理解的是，如果所有参与叠加的反投影椭圆环区域在散射点处的宽度都较小，叠加后的散射斑也较小，在探头频率确定的情况下，图像分辨率也会越接近系统能达到的极限分辨率。因此，椭圆环区域在散射点(即成像点p)处的宽度d可作为选取参与回波数据叠加的发射-接收对的指标，宽度d参数反映了在该点参与叠加的反投影椭圆环的宽度，理论上，参与叠加的反投影椭圆环的宽度都较小，叠加后的散射斑的尺寸也较小。
35.如图4所示，假设椭圆环区域的内外边界分别为椭圆c0和椭圆c1。椭圆c0和椭圆c1满足如下关系：椭圆c0和椭圆c1具有相同的焦点，且a1＝a0+r，其中，a0和a1分别为椭圆c0和椭圆c1的半长轴。r＝c+τ/2，其中τ为接收信号的脉冲时间宽度，如图2所示，τ＝t
1-t0。
36.成像点p为内边界即椭圆c0上的一点，那么椭圆环区域在p点的宽度就是到外边界即椭圆c1的距离d，其中a点是切点，d为散射点到外椭圆c1的最短距离。在sa算法中，来自多组发送-接收对的信号被叠加。然后由它们形成的多个反投影椭圆环区域在散射点相交。非散射点处像素的灰度值相加次数远小于散射点处的相加次数。因此，经过多次相加后，散射点的灰度值非零，非散射点的灰度值接近于0。
37.如果所有参与相加的反投影椭圆环区域在散射点处的宽度都更小，那么堆叠的散射点也会更小，图像分辨率也会更接近极限分辨率。因此，散射点椭圆环区域的宽度d成为选择参与叠加的收发对的指标。
38.对于位置确定(即坐标已知)的像素点p、发射阵元t和接收阵元r，可以确定椭圆环区域的内边界即椭圆c0。如果接收到的脉冲信号的脉宽为τ，也可以确定椭圆环区域的外边界即椭圆c1。因此，点p处椭圆环区域的宽度d就是点p到椭圆c1的最短距离。
39.相应地，本发明实施例提供的方法为，通过发射-接收对与散射点的空间位置坐标，计算出反投影椭圆环区域在散射点处的宽度d，利用参数d评价出这组数据参与重建对图像分辨率的影响，以判断是否需要这组数据参与图像重建，从而达到控制最终输出图像质量的目的，具体包括以下步骤：
40.s1，所述环形探头上的各个阵元依次发射超声信号，全部阵元均同时接收并采集超声信号，获得各发射-接收对的回波数据；对成像区域进行网格化处理获得多个网格点。
41.具体地，在待测对象置于成像范围后，使用环形探头每个阵元依次发射超声波；全部阵元同时接收数据，保存所有原始数据。
42.优选地，所述各阵元在环形探头上均布分布。将环形阵列中的各个阵元按顺时针方向或逆时针方向由1到n开始编号，所述环形阵列中的各个阵元均匀地分布在圆环上，所述n为该环形阵列中的阵元总数；接着，由编号为1的阵元开始发射超声信号直到编号为n的阵元；每个所述阵元发射超声信号时，该环形阵列中的各个阵元均接收并采集超声信号，获得原始回波数据。
43.将环形阵列探头的成像区域进行网格化，使成像区域分为多个网格成像点。
44.优选地，将成像区域按照直角坐标进行网格化。
45.s2，确定某一网格点至外椭圆ck的最短距离d；其中，所述外椭圆ck的焦点为第k个发射-接收阵元对中两阵元的坐标点，长轴ak＝ak`+τ
·
c；
46.其中，ak`为内椭圆ck`的长轴，所述内椭圆ck`以所述第k个发射-接收阵元对中两阵元的坐标点为焦点、以所述某一网格点分别至所述第k个发射-接收阵元对中两阵元的距离之和为长轴，τ为接收信号的脉冲时间宽度，c为声速；k＝n*n，n为阵元个数；
47.s3，根据d小于预设阈值时对应的所有发射-接收对的回波数据计算所述某一网格点的像素值。
48.具体地，对于某个像素点，已知其坐标，依次使用1号阵元发射，1、2、3、
…
、n号阵元接收的坐标计算出d1、d2、d3、
…
、dn。
49.从d1、d2、d3、
…
、dn中筛选出较小的d值，即小于预设阈值的d值，预设阈值可根据实际需求设定，例如预设阈值为1.1r，其中r为轴向分辨率，使用1.1r以内的d值对应的发射-接收对的rf数据参数波束形成，得到s2中所述某一网格点的像素值。
50.优选地，基于延迟叠加波束形成算法，将d小于预设阈值时对应的发射-接收对的回波数据进行对齐后叠加，得到所述各网格点的像素值。
51.可以理解的是，参数d的计算为某一位置已知的像素点到某一已知的发射-接收对确定的椭圆环的外椭圆(该外椭圆的两个焦点及长轴已知)的最短距离的计算，根据几何关系即可求解。
52.当发射点和接收点为同一个时，此时椭圆的两个焦点重合，椭圆变为圆。内圆的圆
心为坐标原点，半径r为网格点p至原点的距离；外圆的圆心为坐标原点，半径r`＝r+τ
·
c/2。
53.优选地，所述预设阈值为ar，其中，a为任意实数，r为轴向分辨率。
54.s4，重复s2-s3，直至遍历所有网格点。
55.具体地，循环s2和s3直到所有网格点都完成计算。也即，对于每个网格点、每个发射-接收对都要经过s2和s3的过程，以完成所有网格点的灰度值计算。
56.s5，基于所有网格点的像素值得到超声断层成像图。
57.优选地，将所述各网格点的像素值进行对数压缩、映射及显示，得到超声断层成像图。
58.具体地，对断层图进行增强对比度等后处理，然后根据预先保存的颜色表对断层图进行映射和显示。
59.下面以一个具体的例子对本发明实施例提供的方法进行进一步说明。
60.假定设置环形探头阵元数为512个，环半径25mm，探头主频3mhz，rf数据采样率25mhz，每条rf数据的采样长度为500个采样点，声速1540m/s，激励脉冲为3mhz双周期正弦波，如图6所示，该方法包括：
61.s1：采集所有发射-接收对的rf数据。
62.具体地，在待扫描物体置于成像范围后，使用环形探头每个阵元依次发射超声波；全部阵元同时接收数据，保存所有原始数据，数据量大小为500x512x512个采样点。
63.s2：将成像区域划分为n x n个网格。
64.具体地，如图5所示，设置成像区域为25x25mm的矩形区域，划分512x512大小的网格点，每个像素大小为0.0488mm，并且得到每个像素点的坐标。
65.可以理解的是，矩形区域的长和宽可相等或不相等，根据实际需求随意设置。
66.s3：针对要使用的发射-接收对的rf数据和要成像的网格点计算参数d；。
67.具体地，对于某个像素点，已知其坐标，依次使用1号阵元发射，1、2、3、
…
、512号阵元接收的坐标计算出椭圆宽度d1、d2、d3、
…
、d512。
68.s4：根据参数d判断该rf数据是否需要参数成像，若需要则将回波数据进行对齐后叠加，得到该点的像素值。
69.具体地，筛选出较小的d值，如小于1.1r，其中r为轴向分辨率，使用1.1r以内的发射接收对的rf数据参数波束形成，得到s3中指定的像素点的值。
70.s5：循环计算s3和s4直到所有网格点都完成计算。
71.具体地，对于每个像素点、每个发射接收对都要经过s3和s4的过程，这样完成所有像素点的灰度值计算。
72.s6：对s5中得到的矩阵数据(即各成像点的像素值)进行对数压缩、映射并显示。
73.具体地，对断层图进行增强对比度等后处理，然后根据预先保存的颜色表对断层图进行映射和显示。
74.下面对本发明提供的基于环形阵列探头的高分辨率超声断层成像系统进行描述。
75.本发明实施例提供一种基于环形阵列探头的高分辨率超声断层成像系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
76.所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
77.所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如上述任一实施例所述的方法。
78.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。