压缩自适应波束合成的平面波超声成像和微泡成像的方法与系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于超声检测与超声成像技术领域，具体涉及到压缩自适应超声波束合成 算法，并结合平面波超声发射，提出一种空时高分辨率、高信噪比的压缩自适应波束合成的 平面波超声成像方法与系统，以及一种高帧率、低计算量的压缩自适应波束合成的平面波 超声微泡成像方法与系统。
【背景技术】
[0002] 延时叠加（Delay and Sum，DAS)波束合成是超声成像中传统、简单也是应用最广 泛的成像方法，其对不同通道接收到的超声回波信号施加特定的延时后再相加求和，得到 目标点的聚焦信号。DAS方法采用独立于接收回波信号并且采用预先定义好的、固定的加权 系数，没有充分利用回波数据的本身特点，获得的主瓣宽度过宽，旁瓣高度过高。而且主瓣 宽度和旁瓣高度之间存在着相互制约，即当抑制旁瓣水平的同时会展宽主瓣宽度，因此不 能够获得很好的图像分辨率和对比度。此外，由于平面波超声较低的声压和其非聚焦特性， DAS方法应用到基于平面波发射的超声成像系统时，所得图像有较差的分辨率和对比度。
[0003] 为了提高横向分辨率和对比度，基于最小方差准则（Minimum Variance, MV)的自 适应波束合成（Adaptive Beamforming)越来越多被应用于超声成像。近年来随着相关技术 的发展，通过空间平滑、自相关矩阵估计、对角线加载等技术，自适应波束合成相较于传统 DAS可以提供更好的横向分辨率，尤其有益于提高小尺寸目标成像的质量。但其较复杂的计 算过程通常引入更多的计算量，在实际使用中，成像系统为了满足奈奎斯特采样率，尤其在 高采样率情况下，会导致较大数据量及对应的计算量，从而使得自适应波束合成在高帧率、 快速成像上受到限制。因此，如何在保证纵向、横向及时间分辨率，降低所需计算量的情况 下，实现自适应波束合成的快速算法是本领域一个难题。
[0004] 压缩感知作为近年来新兴的一种采样理论，其通过开发信号在某个可压缩域中的 稀疏特性，可在远低于奈奎斯特采样率的情况下对信号进行采样获得离散样本，然后通过 非线性重建算法高概率的完美重建信号。其在信息论、图像处理、无线通信、超声成像等领 域受到高度关注。通过分析超声回波信号特性，分析其稀疏结构，并结合自适应波束合成算 法，可有效改进波束合成算法的计算性能。
[0005] 另一方面，传统B模式（B-mode)成像采用少数阵元同时发射聚焦波束对组织进行 透射，然后将接收到的回波信号进行波束合成形成一条扫描线。作为发射单元的全部阵元 按一定规律移动，最终形成组织的整幅B超图像。在B模式下，使用自适应波束合成算法替 代延时叠加会显著提高横向分辨率和图像对比度，但逐线扫描（Line-by-line)会引入更 大的计算量。相比之下，平面波所有换能器阵元同时发射平面脉冲波并同时接收，其与B模 式的主要区别在于：1帧频：超高速成像帧频远大于传统B超成像；2波束合成：传统B模式 先进行波束合成然后再采集数据；超高速成像是先采集数据，然后在计算机上进行波束合 成。3信号处理：传统B模式采用序列化路径，一次只能处理一条或几条扫描线；超高速成 像采用完整的并行路线，一次可处理全部扫描线。
[0006] 针对微泡在时间和空间上的离散特性，以主动空化检测为代表的声学微泡成像方 法仍以B-Hiode成像方式为主，其利用声散射和各种声发射对微泡活动的微观现象进行二 维成像，并以此理解不同媒介、不同条件下微泡的产生机制以及更好地控制微泡活动。但 是，对于微泡的瞬态物理信息，B-mode的Line-by-line方式使得同一帧图像不同扫描线之 间存在时间差，且其帧率一般为100Hz，所以时间分辨率无法满足对微泡的瞬态特性研宄。 Fink小组提出一种超快速主动空化成像方法，其用全孔径沿轴向方向发射一个平面波对空 化过程进行监控，即采用超声平面波进行微泡成像，但由于发射的是平面波而不是聚焦超 声波束，其灵敏度和横向分辨率较差。该小组又将平面波复合快速超声成像法用于空化成 核的检测成像，该方法通过平面波发射实现高帧率实时成像，并提出不同角度相干波复合 提高成像信噪比，但是信噪比的提高在一定程度上牺牲了成像帧率，导致成像的时间分辨 率降低，难以捕捉微泡动态的瞬间信息。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种压缩自适应波束合成的平面波超声成像和微泡成像 的方法与系统。
[0008] 为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0009] 一种压缩自适应波束合成的平面波超声成像方法，包括以下步骤：
[0010] 1)计算机采集超声线阵换能器接收的射频信号，并将射频信号从时域信号转换为 频域信号；
[0011] 2)按照射频信号频域信息分布，选取频域上有效带宽内的频点，对有效带宽内的 频点进行按比率的随机抽取；
[0012] 3)对所抽取的频点构造稳健自相关矩阵，并计算该频点所对应的最小方差自适应 波束合成最优加权系数，从而得到该频点的最优输出；
[0013] 4)按照步骤3)遍历所有抽取的频点，并由压缩感知理论重建有效带宽的频域信 息，然后重建整个频域信息；将整个频域信息变换到时域并通过射频信号成像算法实现成 像。
[0014] 优选的，考虑到算法的鲁棒性，所述频点抽取比率为30%~40% ;优选的，对于超 声线阵换能器中某一阵元的超声接收信号，可视为系统冲激响应和散射子信号卷积叠加的 结果，变换到频域为相乘的结果，即Y = Σ H ( ω ) S ( ω )。对于空间有限散射子，其在空间分 布对于整个成像域是极少或者有限个，因而其在频域上也是可稀疏化的。根据压缩感知理 论：γ = HS = Φδ。即系统冲击响应的频域表达可作为接收信号的稀疏基对接收信号进行 频域上的稀疏处理。以某单点散射目标的回波信号作为系统冲击响应h (t)，对h (t)做傅里 叶变换得到稀疏基H，并对应有效带宽，选取稀疏基子集H(K)，优选的，压缩感知重建中采 用多点正则化欠定系统聚焦求解算法估计投影系数向量，并根据投影系数向量以及稀疏基 子集得到有效带宽的最优输出。
[0015] 所述压缩自适应波束合成的平面波超声成像方法，具体包括以下步骤：
[0016] (1)选定阵元输出以及目标点并根据目标点位置计算波束合成的有效阵元数大小 M ；
[0017] (2)根据目标点位置对M个阵元通道接收信号计算延时，得到延时后的信号 X(t)：
【主权项】
1. 一种压缩自适应波束合成的平面波超声成像方法，其特征在于：包括以下步骤： 1) 计算机采集超声线阵换能器接收的射频信号，并将射频信号从时域信号转换为频域 信号； 2) 按照射频信号频域信息分布，选取频域上有效带宽内的频点，对有效带宽内的频点 进行按比率的随机抽取； 3) 对所抽取的频点构造稳健自相关矩阵，并计算该频点所对应的最小方差自适应波束 合成最优加权系数，从而得到该频点的最优输出； 4) 按照步骤3)遍历所有抽取的频点，并由压缩感知理论重建有效带宽的频域信息，然 后重建整个频域信息；将整个频域信息变换到时域并通过射频信号成像算法实现成像。
2. 根据权利要求1所述一种压缩自适应波束合成的平面波超声成像方法，其特征在 于： 所述频点抽取比率为30%~40% ;以某单点散射目标的回波信号作为系统冲击响应h(t)，对h(t)做傅里叶变换得到稀疏基H，并对应