基于压缩感知自适应波束合成的脉冲逆转谐波平面波快速造影成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于超声造影成像技术领域，具体涉及一种基于压缩感知自适应波束合成 的脉冲逆转谐波（PIH-CSBF)平面波快速造影成像方法。
【背景技术】
[0002] 超声造影成像是利用包膜微泡在声场激励下的强非线性响应，以增强超声对血流 的检测能力，有效地从周围组织中鉴别微血管分布的成像方式，可得到高分辨性能的微血 管造影图像。它在实时描绘造影灌注的动态分布过程，同时可从中提取与生理病理相关的 血流动力学参量，使得心血管疾病与恶性肿瘤新生血管的早期诊断和血流灌注时相分析成 为可能，并在临床广泛应用。传统的超声造影成像技术采取的聚焦波逐条扫描成像方式，以 获得对比度、分辨率较佳的造影图像。但该扫描成像方式存在扫描线间延时导致的伪实时 成像、成像帧率难以提高以及在焦点区域对造影微泡破坏率较高的问题。虽然，可以通过降 低成像发射声压以减少造影微泡的破坏率、减少扫描线次数并降低成像深度以提高图像帧 率；尽管如此，其改善依然是局限性的，未能从技术上突破，且以损失细节分辨率、信噪比为 代价。
[0003] 因此，为克服上述问题，近年兴起了以平面波为发射方式的造影成像技术。但因平 面波发射声压较低缺乏焦点的问题，其成像造影组织比（Contrast-to-tissue ratio, CTR) 和分辨率受限，为此发展了多角度发射的相干复合平面波成像方法、脉冲逆转微泡小波平 面波造影成像等方法，以提高造影图像的CTR和分辨率，并在血流仿体、兔肾脏造影团注成 像中应用。遗憾的是，上述平面波造影成像方法均为离线处理方法，它们均采用延时叠加 (Delay and Sum，DAS)波束合成法。但DAS没有考虑通道数据的差异，加权系数固定，其主 瓣宽度过宽，旁瓣高度过高，所得图像质量较差。为此就有上述脉冲逆转微泡小波变换与多 角度发射相干复合平面造影成像技术的出现，以改善DAS所得造影图像的图像质量。近期 有文献显示已有学者为了提高横向分辨率和对比度，通过自适应波束合成方法以改善DAS 的技术缺陷。
[0004] 尽管自适应波束合成相比DAS可得到高分辨率的造影图像，但其较复杂的算法引 入更多的计算量。在实际应用中，为获得高CTR与分辨率造影图像而采用的多角度发射相 干复合与脉冲逆转微泡小波变换造影成像方法联合自适应波束合成技术均极为复杂，在面 对成像系统高采样率、平面波快速发射采集的极为庞大的数据量时，使得超快平面波造影 成像难以实时实现。因此，如何在保证造影图像CTR与分辨率的前提下，实现平面波造影实 时成像是本领域一大挑战。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于压缩感知自适应波束合成的脉冲逆转谐波平面 波快速造影成像方法。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0007] 步骤一超声阵列换能器按脉冲逆转模式发射平面波，其交替发射相位分别为0° 相与180°相，计算机采集超声阵列换能器阵元的0°相与180°相射频回波信号XJt)与 Xl80 (t);
[0008] 步骤二将0°相与180°相射频回波信号加和运算所得射频回波信号X(t)，依据 第i条待合成扫描线上的第d个目标点空间位置与动态孔径N，对N个有效阵元通道数据延 时后得到加和延时时域信号X ld(t);
[0009] 步骤三对加和延时时域信号Xld (t)通过傅立叶变换转换为频域信号Xld (ω )，并选 取造影回波的谐波分量内的频点Xld ( ω k)，进行按比率的压缩随机采样抽取，得到压缩采样 后的造影谐波频域信号
[0010] 步骤四通过构造所选频点
的稳健自相关矩阵，计算该频点所对应的最小 方差自适应波束合成的最优加权系数Wld(COk)，从而得到该频点的最优波束合成的频域输 出
[0011] 步骤五按照步骤四遍历所有抽取的造影谐波频点
并由多点欠定系统聚 焦求解（RM-F0CUSS)算法重建谐波分量的频域信息，然后重建第i条扫描线的频域信息 Yi (ω);
[0012] 步骤六按扫描线波束合成次序，重复步骤二~步骤五得到所有扫描线的频域信息 Y ( ω )，并将加和射频数据的频域信息Y ( ω )通过逆傅立叶变换变换到时域，得到Y⑴，对 Y(t)进行包络检波、对数压缩、坐标变换等图像后处理得到高质量的平面波造影图像。
[0013] 具体步骤如下：
[0014] 一、本发明所采用的技术方案步骤一，具体步骤如下：
[0015] 1)超声阵列换能器按脉冲逆转模式交替发射中心频率为f。的一对相位相反的平 面波，其相位分别为0°相与180°相，探头工作频率f。范围：2. OMHz~5. OMHz ;
[0016] 2)计算机采集超声阵列换能器阵元的0°相与180°相射频回波信号XJt)与 Xl80 (t);
[0017] 3)其成像特征为，合成一副平面波造影图像，仅需发射2次，即：一对相位相反的 平面波。
[0018] 二、本发明所采用的技术方案步骤二，具体步骤如下：
[0019] 1)将0°相与180°相的射频回波信号XJt)与X1S(](t)在整个时域加和运算得到 射频回波信号X⑴，X⑴=X。(t) +X1S。⑴；
[0020] 2)选定第i条（1彡i彡128~256)待合成扫描线上目标点并根据目标点与中心 阵元垂直距离计算波束合成的有效阵元数大小N，并选定阵元；
[0021] 3)根据第i条待合成扫描线上第d个目标点与N个阵元相对位置，对N个阵 元通道接收信号计算每一个通道的信号延时时间i id，Tid= [T1 τ2~τΝ]τ，其中， D-D --1为第j个阵元的延时时间，D1为第j个阵元到目标点距离，D。为目标点中心 ' G 阵元到目标点距离，c为组织中声速，j = 1，2, 3, ...，N ;
[0022] 4)根据第d个待合成目标点与N个阵元相对位置，对N个阵元对应射频回波信号 X(t)按Tid依次延时，得到延时后列向量信号Xid (t) =X (t_ Tid)，Xid (t) = [X1U) X2⑴ …xN(t)]T〇
[0023] 三、本发明所采用的技术方案步骤三，具体步骤如下：
[0024] 1)对延时后时域信号Xld(t)进行傅里叶变换，得到频域信号Xld(co)，X id(Co)=
[0025] 2)对造影回波的频域信号Xld(Co)进行2f。谐波滤波，对谐波分量ω k内的频点构 成维数为kXN的谐波信号Xld(?k)，其有效带宽为I. 4f。~2. 6f。，k为有效带宽内的频点 数；
[0026] 3)基于该频点数k，构造 k阶的主对角线元素为1、其余为0的压缩随机抽取矩阵 T，抽取比例为30%~40% ;
[0027] 4)对Xld(Qk)按行进行随机抽取：
抽取比例为30%~ 40 %，得到压缩采样后的造影谐波频域信号
[0028] 四、本发明所采用的技术方案步骤四，具体步骤如下：
[0029] 1)通过构造所选频点
的稳健自相关矩阵，计算该频点所对应的最小方差 自适应波束合成的最优加权系数wid(c〇k);
[0030] 2)对于
中的频点，把有效阵元数为N的阵列分为LX k、总数为Ν-L+l的 子阵
[0031] 3)将所有子阵
与其对应的最优加权系数Wld(Wk)依次点乘求和并平均， 得到该频点的最优波束合成的频域输出
[0034] 五、本发明所采用的技术方案中，基于最小方差自适应波束合成的最优加权系数 Wid(Uk)的计算方法，具体步骤如下：
[0035] 1)基于互相关原理，构造所选频?
的稳健自相关矩阵
[0037] 其中，[]Η表示矩阵的共辄转置，Rld(Cok)为
I.的自相关矩阵：
[0039] 其中，A为长度为L的1维单位向量;AAHRld (ω k) AAhA) 2为造影回波所选频点
的主信号能量项；
[0040] 2)利用自相关矩阵
！和单位向量A计算最优加权系数wld(co k):
[0042] 其中，[]1表示矩阵的逆，为避免
.求逆运算出现不稳定性，将
奇异值分解出现的负特征值替换为分解所得的最小正值特征解；同时，从Rld(?k)中减掉
的主信号能量项，以增引
的稳健性。
[0043] 六、本发明所采用的技术方案步骤五，具体步骤如下：
[0044] 1)重复步骤四，计算第i条待合成扫描线上所有抽取频点的最优波束合成的频域 信号输吐
[0045] 2)构建kXk的傅里叶基F作为稀疏基，利用下式：
[0047] 因抽取矩阵T与傅里叶基F相乘矩阵不满秩，故采用RM-FO⑶SS算法和构建的抽 取矩阵T与傅里叶基F，从阵元矩阵| ;(叫)中估计出稀疏投影系数向量Id1 (ω k);
[0048] 3)由yi ( ω k) = Fb1 ( ω k)计算阵元输出所有有效带宽内的最优波束合成的频域信 号输