专利名称：基于非衍射阵列波的合成孔径三维超声成像方法
技术领域：
本发明属于医学超声成像领域，利用lD(0ne Dimension, ID)传感器发射非衍射阵列波声场，采用合成孔径技术对整个目标区域回波信号进行综合处理，利用Fourier变换实现三维(Three Dimension, 3D)成像。
背景技术：
同二维(Two Dimension, 2D)超声成像相比，3D超声成像具有图像显示直观、可以进行生物器官位置的精确测量，缩短医生诊断所需要的时间，提高诊断的准确性等优点，具有更高的临床应用价值。3D超声成像方法从使用的传感器上来看主要分为两种使用2D阵列传感器成像和使用ID传感器成像。由于2D传感器工艺十分复杂，尚未推广使用，目前主要使用ID传感器成像。使用ID传感器实现实现3D成像是基于现有的B-mode切片成像方式。ID传感器发射聚焦声场，回波信号通过延时叠加(Delay and Sum)处理后完成一帧切面成像，其成像位置就是声场传播方向和ID传感器位置所决定的平面。显然ID传感器每移动一定距离，就可以得到不同位置的切面成像，把这种沿传感器运动方向的所有垂直于运动方向的2D切面图像综合起来，通过图像处理的方法就完成了 3D成像。这种成像方式比较简单，但由于受波束聚焦的影响，特别是发射声场能量很难集中一个很薄的一个切面内，分辨率尤其是移动方向分辨率较差，同时由于要发射和接收多次才能完成一帧切面成像，实现一帧体成像需要非常大次数的发射和接收过程，花费较长时间，这就降低了帧率。使用2D传感器可以直接实现3D成像，成像具有较高的空间分辨率。但由于2D传感器结构非常复杂，现有的工艺和技术水平很难完成2D传感器设计和生产。在目前2D超声传感器阵列工艺问题未被根本解决以前，3D超声成像基本上是利用上述的ID传感器及相关算法进行成像。另外即使在3D成像中采用2D传感器，但如果采用现有的延时叠加成像方法，仍然需要相当多次的发射和接收过程完成一帧体成像，成像帧率低的问题依然存在。鉴于上述技术存在的不足，特提出本发明。
发明内容
本发明提出一种新的成像方法，该方法采用ID传感器阵列发射非聚焦声场，移动 ID传感器获得不同位置处的回波信号，在ID传感器阵列运动方向使用合成孔径技术对整个目标区域回波信号综合处理，通过Fourier变换进行成像，获得较好的帧率和分辨率。本发明的实现方式特征在于使用ID传感器阵列发射非衍射阵列波或平面波声场，并移动ID传感器重复发射接收过程，获得不同位置的回波信号，ID传感器阵列把回波信号转换为超声接收信号，最后采用合成孔径技术对不同位置处的接收信号综合处理，通过Rmrier变换进行成像。传感器阵列的移动方式可以采用机械移动ID传感器阵列方式， 也可以采用依次激励2D传感器阵列中的不同行或列的方式。接收信号的处理采用多维Rmrier变换，然后进行频谱转换，再通过Rmrier反变换得到3D图像。本发明在3D医学超声成像中具有重要意义，它实现了一种新的3D成像方式，具有如下特点1.较高的成像帧率。不同于聚焦型成像需要多次发射事件才能成像，它是通过发射非衍射阵列波和Rnirier变换成像，发射次数少，从而提高了系统成像帧率；2.较高的成像分辨率。不同于现有的3D成像采用多切片图像合成处理的工作方式，它是对整个目标区域的回波信号采用合成孔径成像方式进行成像，从而提高了图像沿传感器运动方向的分辨率，这是现有3D成像很难解决的一个问题；3.它可以采用能量发散的声场而不是在能量集中在一个切面的声场成像，这和目前绝大部分3D成像对声场的要求正好相反，这种方法不仅提高了 3D成像的分辨率，同时还降低了对传感器的工艺要求；4.成像方法兼容ID传感器阵列和2D传感器阵列。本发明所提成像方法降低了对传感器工艺的要求，不仅适用现有的机械扫描式超声成像，也完全适应未来的2D超声传感器阵列。这里要补充说明的是现有的机械扫描式超声成像方法并不适合2D传感器阵列的 3D成像，因为机械扫描式3D超声成像采用ID传感器阵列，基本成像区域是一个切面，其阵元发射的声波能量集中在一个目标成像切面区域；而基于2D传感器的3D成像是立体区域， 其阵元发射的声波能量应该在目标成像立体区域，即阵元发射的声波能量是三维发散的， 如球面波声场。本申请专利结合我们提出的已经授权的发明专利“基于单一功率信号源及其开关网络的高帧率超声成像方法”(ZL200710020959. 1)，构成一种新型的3D成像核心技术。
图1为总体结构框图其中，1为非衍射阵列波或平面波超声发射电路，2为ID超声传感器阵列，3为成像目标，4为信号放大器和模数(A/D)转换器，5是合成孔径成像处理单元、6为3D图像显示单元。图2是成像过程中ID超声传感器阵列[2]与成像目标[3]的空间位置关系示意图。
具体实施例方式下面结合
本发明
具体实施例方式超声发射电路[1]驱动ID超声传感器阵列[2]发射非衍射阵列波或平面超声波声场，发射完毕后，ID超声传感器阵列[2]转换为接收信号状态，发射的超声波在传播中经成像目标[3]反射后形成回波信号，再由ID超声传感器阵列[2]转换为接收信号，该接收信号通过信号放大器和模数(A/D)转换器[4]转换成为数字信号并保存，然后ID超声传感器阵列[2]在合成孔径数据处理单元[5]控制下移动到下一位置，重复以上对成像目标[3]的发射声场和接收回波信号的扫描过程(如图 2所示)。如果是2D传感器，可以采用依次激励2D阵列中的不同行或列的方式，实现ID传感器阵列的移动。待ID超声传感器[2]将成像目标[3]扫描结束后，所有接收信号再通过合成孔径数据处理单元[5]进行Rmrier变换和变量转换的成像处理，得到目标的3D图像数据，最后将3D图像数据送给显示单元[6]进行显示。
下面给出基于非衍射阵列波加权的合成孔径3D超声成像理论和方法。1、阵歹丨J波 Array Beam阵列波是由下式表示A{k)eJk^Jk^(1)其中x，y，ζ是空间位置坐标，k是波数，它与频率ω的关系是
权利要求
1.基于非衍射阵列波的合成孔径3D超声成像方法，其特征在于超声发射电路[1]驱动 ID超声传感器阵列[2]发射非衍射超声波或平面超声波声场，成像目标[3]的回波信号通过ID超声传感器阵列[2]转换为接收信号，经信号放大器和模数(A/D)转换器[4]放大并转换成为数字信号，合成孔径数据处理单元[5]采用合成孔径技术进行3D成像处理，最后将成像数据送给显示单元[6]进行3D显示。
2.如权利要求1基于非衍射阵列波的合成孔径3D超声成像方法，其特征在于进行合成孔径成像时，ID超声传感器阵列[2]在合成孔径数据处理单元[5]控制下重复进行发射/ 接收、移动位置操作，ID超声传感器阵列的阵元发射的声场是三维发散的，所述传感器位置移动包括机械方式移动，也包括依次激励2D阵列中的不同行或列的方式。
3.如权利要求1基于非衍射阵列波的合成孔径3D超声成像方法，其特征在于进行合成孔径成像时，合成孔径数据处理单元[5]对ID超声传感器阵列[2]在不同位置接收信号进行合成孔径处理实现成像。
4.如权利要求1和权利要求3所述基于非衍射阵列波的合成孔径3D超声成像方法，其特征在于对回波信号进行合成孔径处理是指对应于ID超声传感器阵列[2]在所有移动位置的接收信号构成了一个时间、位置的函数，对其进行3D傅立叶变换处理，然后进行变量转换得到成像频谱，最后再通过傅立叶变换处理得到3D图像。
全文摘要
本发明公开一种基于非衍射阵列波或平面波声场的合成孔径3D超声成像方法。该方法采用1D传感器阵列发射非衍射阵列波或平面波声场，通过移动1D传感器阵列扫描整个成像区域，采用合成孔径技术对整个目标区域回波信号综合处理进行成像。传感器的移动方式可以采用机械扫描方式，也可以采用依次激励2D阵列中的不同行或列的方式。为重建3D图像，首先对回波信号进行傅立叶变换，对变换后的频谱信号做变量转换处理即得到图像的频谱，再通过傅立叶变换处理完成成像目标的3D成像。该成像方式在目前所有3D超声成像方法中具有成像速度快，成像质量高的特点，具有很好的应用前景。
文档编号A61B8/00GK102188261SQ20111012982
公开日2011年9月21日 申请日期2011年5月18日 优先权日2011年5月18日
发明者彭虎, 韩志会 申请人:中国科学技术大学