一种用于高时空分辨超声微小血流成像的杂波抑制方法及系统

本发明属于超声血流成像，涉及一种用于高时空分辨超声微小血流成像的杂波抑制方法及系统。

背景技术：

1、超快超声微小血流成像技术由于超高帧率(～10khz)的非聚焦波传输和大的时间累计样本，显著提高了微小血流检测的灵敏度，可以实现微小血流动力学和微血管形态结构变化的动态监测，对生理状态的评估及临床疾病的诊断和治疗具有重要意义。然而，现有的超快超声微血流成像技术无法同时兼顾时间分辨率和空间分辨率，无法在成像血管精细结构的同时及时捕捉血流瞬态变化，原因如下。第一，现有杂波抑制方法需要的帧数较多(数据集合较长)，生成一张血流图像需要较长的采集时间，时间分辨率较低。第二，超快超声成像采用非聚焦波传输，回波信号非常容易受到组织杂波、混响、离轴散射、热噪声等的干扰，导致图像信噪比和对比噪声比非常低，空间分辨率差。上述因素限制了超快超声微血流成像在科研和临床上的进一步应用。因此同时提升超快超声微血流成像的时空分辨率对微小血管可视化和功能超声成像具有重要的价值。

2、杂波滤波器能抑制平稳或非平稳的组织运动和部分噪声，是微小血流提取的关键。基于特征值分解的滤波器(svd)利用时空相干性可以有效分离血流、组织杂波和噪声，是目前应用最为广泛的方法，但svd滤波存在一些缺陷：第一，svd的性能随着集合长度的增加而增加，在短集合中(几十帧)性能较差，但长集合意味着采集时间的增加，不利于提高时间分辨率；第二，在一张图像上进行全局svd不利于深部噪声的滤除，图像信噪比和空间分辨率有待提高。高阶svd利用多个子空间的特征对超声信号进行分类，可以有效提高短集合中缓慢微小血流检测的敏感性，但高阶svd的计算复杂性和计算成本远高于svd。鲁棒主成分分析(rpca)及其改进的滤波方法可以有效抑制组织杂波和噪声的干扰，提高微小血流的检测灵敏度和图像信噪比，但该方法所需数据集合较大，计算复杂度高。

3、除了杂波滤波外，先进的波束合成或多角度复合技术利用信号相干理论可以有效抑制背景噪声、离轴干扰和混响，是提高非聚焦超声成像空间分辨率的关键。现有的自适应波束合成算法利用通道相干性抑制了不相干噪声，有效提高了超快超声成像质量，如延迟相乘求和(dmas)、最小方差(mv)、相干因子(cf)、基于p次方压缩的非线性波束合成等。但上述基于通道相干的自适应波束合成方法应用于超快超声微血流成像有两个限制。第一，上述方法在增加自适应效应时，也会导致血流信号的相位失真，不适合直接应用于血流成像，而改变计算步骤会带来隐形的计算负担。第二，基于通道相干的方法需要的数据量非常大，计算复杂性和计算成本以n(通道个数)倍增加。多角度复合算法利用角相干性可以以较低的计算成本显著提高非聚焦波成像的信噪比(snr)和空间分辨率。相干复合(cc)是目前最常用的改善非聚焦波成像质量的角度复合方法，但cc对图像质量的提升有限，尤其是当背景噪声水平较高的情况下。其他多角度复合策略如帧间相乘再叠加复合(fmas)、角度分组复合成像等可以有效改善超快超声的成像质量。但上述方法提升空间分辨率需要较多角度帧进行复合，不利于提高时空分辨率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术难以在短集合中有效抑制组织杂波和噪声，导致超快超声微小血流成像无法同时兼顾时间分辨率和空间分辨率的问题，提供一种用于高时空分辨超声微小血流成像的杂波抑制方法及系统。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明提出的一种用于高时空分辨超声微小血流成像的杂波抑制方法，包括如下步骤：

4、将四维超声数据重组为二维超声数据，对二维超声数据进行分解，得到角度空间奇异向量；

5、利用角度空间奇异向量在特征空间内选取截止点，基于截止点将杂波对应的奇异分量置零，重建后获取处理后的血流信号；

6、根据处理后的血流信号获取每一帧多角度数据的基于p次方压缩的广义帧间相乘再叠加复合因子；将广义帧间相乘再叠加复合因子作为自适应加权因子与该帧多角度相加后的图像逐像素点相乘，实现血流信号的增强及噪声抑制。

7、优选地，以casorati形式将四维超声数据重组为二维超声数据其中，m为空间样本数，m＝z×l；z表示轴向样本数，垂直于传感器阵列；l表示横向样本数，沿传感器阵列；w表示角度数目；t表示时间帧数。

8、优选地，对二维超声数据进行svd分解，得到s＝uδv*；

9、其中，是信号s包含的角度空间奇异向量，是信号s包含的时间奇异向量，是对角线上包含对应奇异值的对角矩阵，*为矩阵转置。

10、优选地，在特征空间内选取截止点的方法如下：

11、计算角度空间相似性矩阵，其中，ua表示角度空间奇异向量u的第a列矢量，大小为(mw,1)；和σa分别表示ua的平均值和标准差；ub为角度空间奇异向量u的第b列矢量，大小为(mw,1)；和σb分别表示ub的平均值和标准差；a，b为矩阵索引，m为空间样本数；w为角度数目；k为角度空间样本索引；

12、通过在角度空间相似性矩阵中识别相关正方形区域，确定组织、血液和噪声的子空间，从而确定分别抑制组织和噪声的第一截止值λs1和第二截止值λs2。

13、优选地，获取处理后的血流信号为

14、其中，λs1为第一截止值；λs2为第二截止值；是滤波后的包含血流信号对应奇异值的对角矩阵，u是信号s包含的角度空间奇异向量，v是信号s包含的时间奇异向量。

15、优选地，每一帧多角度数据的基于p次方压缩的广义帧间相乘再叠加复合因子如下：

16、

17、其中，是角度奇异值滤波后的超声信号，w表示角度数目；代表第t帧；p为压缩因子，fp-gfmas(t)的获取方法如下：

18、

19、优选地，每一帧计算后的fp-gfmas(t)作为自适应加权因子与复合图像逐像素点相乘，从而增强血流信号，抑制非相关噪声和旁瓣。

20、本发明提出的一种用于高时空分辨超声微小血流成像的杂波抑制系统，包括：

21、超声数据分解模块，所述超声数据分解模块用于将四维超声数据重组为二维超声数据，对二维超声数据进行分解，得到角度空间奇异向量；

22、血流信号获取模块，所述血流信号获取模块用于利用角度空间奇异向量在特征空间内选取截止点，基于截止点将杂波对应的奇异分量置零，重建后获取处理后的血流信号；

23、多角度复合模块，所述多角度复合模块用于根据处理后的血流信号获取每一帧多角度数据的基于p次方压缩的广义帧间相乘再叠加复合因子；将广义帧间相乘再叠加复合因子作为自适应加权因子与该帧多角度相加后的图像逐像素点相乘，实现血流信号的增强及噪声抑制。

24、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行计算机程序时实现用于高时空分辨超声微小血流成像的杂波抑制方法的步骤。

25、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现用于高时空分辨超声微小血流成像的杂波抑制方法的步骤。

26、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

27、本发明提出的一种用于高时空分辨超声微小血流成像的杂波抑制方法，应用于基于时间累积的多角度波合后的数据，即角度数据集合，利用角度数据的多维性、角相干性和时空相干性可以在短集合中有效抑制组织杂波和不相干噪声并增强血流信号，同时提高超声微小血流成像的时间分辨率和空间分辨率，而且，角度数据的数据量相对较小，本发明提出的算法复杂度相对较低，因此计算成本也相对较低。其中，通过对角度数据进行奇异值滤波，利用角度数据的多维性和时空相干性，可以在短集合中有效抑制组织杂波并提高血流提取的灵敏度，时间分辨率得到了显著的提升；基于p次方压缩的广义帧间相乘再叠加复合因子作为自适应加权因子通过与多角度数据相加后的复合图像逐像素相乘，可以在有限的角度传输数据中有效增强血流信号，并进一步抑制不相干噪声和旁瓣，不仅提高了空间分辨率，帧率和时间分辨率也进一步得到提升。此外，基于p次方压缩的广义帧间相乘再叠加复合因子除了应用于超快超声微小血流成像外，还可以用于提高其他超快超声成像空间分辨率，如超快b模式成像。

28、进一步地，角度数据奇异值滤波，在角度空间计算相似性矩阵从而选取两个分别滤除组织杂波和噪声的合适的截止值，能有效发挥该滤波器的性能。基于p次方压缩的广义帧间相乘再叠加多角度复合算法，不同的p值导致自适应效果不同，p值越大，自适应效果越强，但可能导致微弱血流信号的缺失，p值越小，自适应效果相对越弱，不相干噪声抑制能力越弱，当p值为1时，p-gfmas没有进行振幅的压缩与恢复。

29、本发明提出的一种用于高时空分辨超声微小血流成像的杂波抑制系统，通过将系统划分为超声数据分解模块、血流信号获取模块和多角度复合模块，实现对血流信号的增强及组织杂波和噪声抑制。采用模块化思想使各个模块之间相互独立，方便对各模块进行统一管理。