基于广义相干系数的合成聚焦成像方法

摘要

本发明公开了一种基于广义相干系数的合成聚焦成像方法，涉及超声成像技术领域，本发明针对合成聚焦数据的特点，对回波数据进行双次广义相干系数算法处理，首先对单个发射阵元发射后所有接收阵元接收的数据计算第一次广义相干系数；然后将接收数据求和后与该系数进行加权，得到单次发射接收信号的处理结果；最后对各次发射接收信号的处理结果再一次使用广义相干系数进行处理；该方法在提高图像分辨率、对比度以及校正聚焦误差上都明显优于传统的延时叠加与合成聚焦成像方法。

权利要求

1.基于广义相干系数的合成聚焦成像方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：获取空间第k点的由第i个发射阵元发射并通过M个接收阵元接收的数据信号Si(k)，其中，Si(k)＝[si,1(k),…,si,M(k)]，si,M(k)表示第i个发射阵元发射第M个接收阵元接收的数据信号；

S2：计算数据信号Si(k)的第一次广义相干系数ω1；

S3：将数据信号Si(k)求和后与第一次广义相干系数ω1进行加权，得到第i次发射接收信号的单次处理信号yi(k)，即通过以下公式来计算第i次发射接收信号的单次处理信号yi(k)；

其中，si,j(k)表示由第i个发射阵元发射，第j个接收阵元接收的数据信号，M表示接收阵元的个数；

S4：重复S1-S3计算所有发射阵元的处理信号Yi(k)，所述处理信号为：Yi(k)＝[y1(k),y2(k),...yN(k)]，其中，yN(k)表示第N次发射接收信号的单次处理信号；

S5：计算所有发射阵元的处理信号Yi(k)的第二次广义相干系数ω2；

S6：将所有发射阵元的处理信号Yi(k)求和后与第二次广义相干系数ω2进行加权，得到空间第k点的幅值, 其中，p(k)表示空间第k点的图像幅值；

S7：重复S1-S6遍历空间所有点的图像数据信号。

2.根据权利要求1所述的基于广义相干系数的合成聚焦成像方法，其特征在于：所述S1中的数据信号Si(k)是将第i个发射阵元发射并通过M个接收阵元接收的关于空间第k点的接收回波信号经过聚焦延时处理形成的数据信号。

3.根据权利要求2所述的基于广义相干系数的合成聚焦成像方法，其特征在于：所述S2中第一次广义相干系数ω1的计算具体包括以下步骤：S21：对数据信号Si(k)通过以下公式进行离散傅里叶变换形成波束域数据其中，M表示接收阵元的个数，m=0到M-1表示空间频率系数,si,j(k)表示由第i个发射阵元发射，第j个接收阵元接收的数据信号，d表示阵元间距， 表示由第i个发射阵元发射并通过M个接收阵元接收的数据变换到波束域后的数据；

S22：通过以下公式来计算第一次广义相干系数：

其中，GCF1(n)表示第一次广义相干系数ω1，n为空间频率系数。

4.根据权利要求3所述的基于广义相干系数的合成聚焦成像方法，其特征在于：所述步骤S22中的m取值为0，所述第一次广义相干系数通过以下公式来计算：其中， 表示由第i个发射阵元发射并通过M个接收阵元接收的数据变换到波束域后的数据中第0点的频谱。

5.根据权利要求4所述的基于广义相干系数的合成聚焦成像方法，其特征在于：所述S5中的所有发射阵元的处理信号Yi(k)的第二次广义相干系数ω2的计算具体包括以下步骤：S51：对处理信号Yi(k)通过以下公式来进行离散傅里叶变换形成波束域数据其中，M表示发射阵元的个数，yi(k)表示第i个发射接收信号的单次处理信号,m=0到M-1表示空间频率系数,d表示阵元间距，所述波束域数据 表示所有M个发射阵元的处理信号变换到波束域后的数据；

S52：通过以下公式来计算第二次广义相干系数：

其中，GCF2(n′)表示第二次广义相干系数ω2，n′为空间频率系数。

6.根据权利要求5所述的基于广义相干系数的合成聚焦成像方法，其特征在于：所述步骤S52中的m取值为0，所述第二次广义相干系数通过以下公式来计算：其中， 表示所有M个发射阵元的处理信号变换到波束域后的数据中第0点的频谱。

说明书

基于广义相干系数的合成聚焦成像方法

技术领域

[0001] 本发明涉及超声成像技术领域，特别涉及一种基于广义相干系数的合成聚焦成像方法。

背景技术

[0002] 合成孔径聚焦的超声成像是20世纪70年代发展起来的一种比较有潜力的成像方法。与传统的延时叠加方法(DAS)不同，合成孔径聚焦成像可以通过低的工作频率和较小的换能器孔径以获得较好的分辨率。随着研究的深入，一系列改进的合成孔径成像技术被陆续提出，如多阵元合成孔径聚焦、合成聚焦、合成接收孔径、合成发射孔径。这些方法都在一定程度上有效地改善了波束形成的质量。其中，合成聚焦(SF)形成的波束质量最高，无论从主瓣的宽度还是对旁瓣的抑制，效果都是最好的。但在实际超声成像中，探测对象声阻抗的差异性导致声速不均匀，从而使得聚焦误差不可避免；据相关文献报道，在不同类型的人体软组织里，声速存在一定的差异。即使在同类型的软组织里由于组织的不均匀性，声速也存在差异。由声速不均匀性引起的相位畸变是导致超声成像质量下降的一个重要来源。因此，如何减小因声速不均匀性导致超声成像分辨率和对比度的下降是近年来的研究热点。Donnell等提出了相位校正的相位延时估计方法，有效解决了由于声速不均匀性引起相位畸变，但是却导致聚焦特性和成像质量不好的问题。

[0003] 因此急需一种提高图像分辨率、对比度以及校正聚焦误差上都明显优于传统延时叠加的合成聚焦成像方法。

发明内容

[0004] 有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提出一种图像分辨率、对比度以及校正聚焦误差上都明显优于传统延时叠加的合成聚焦成像方法。

[0005] 本发明的目的是提出一种基于广义相干系数的合成聚焦成像方法；

[0006] 本发明的目的是这样实现的：

[0007] 本发明提供的基于广义相干系数的合成聚焦成像方法，包括以下步骤：

[0008] S1：获取空间第K点的由第i个发射阵元发射并通过M个接收阵元接收的数据信号Si(k)，

[0009] 其中，Si(k)＝[si，1(k)，…，si，M(k)]，si，j(k)表示第i个发射阵元发射第M个接收阵元接收的数据信号；

[0010] S2：计算数据信号Si(k)的第一次广义相干系数ω1；

[0011] S3：将数据信号Si(k)求和后与第一次广义相干系数ω1进行加权，得到第i次发射接收信号的单次处理信号yi(k)，即通过以下公式来计算第i次发射的处理信号yi(k)；

[0012]

[0013] 其中，Si，j(k)表示由第i个发射阵元发射，第j个接收阵元接收的数据信号，M表示接收阵元的个数；

[0014] S4：重复S1-S3计算所有发射阵元的处理信号Yi(k)，所述处理信号为：

[0015] Yi(k)＝[y1(k)，y2(k)，...yN(k)]，其中，yN(k)表示单次第N次发射单元的处理信号；

[0016] S5：计算所有发射阵元的处理信号Yi(k)的第二次广义相干系数ω2；

[0017] S6：将所有发射阵元的处理信号Yi(k)求和后与第二次广义相干系数ω2进行加权，得到空间第K点的幅值， 其中，p(k)表示空间第K点的图像幅值；

[0018] S7：重复S1-S6遍历空间所有点的图像数据信号。

[0019] 进一步，所述S1中的数据信号Si(k)是将第i个发射阵元发射并通过M个接收阵元接收的关于空间第K点的接收回波信号经过聚焦延时处理形成的数据信号；

[0020] 进一步，所述S2中第一次广义相干系数ω1的计算具体包括以下步骤：

[0021] S21：对数据信号Si(k)通过以下公式进行离散傅里叶变换形成波束域数据[0022]

[0023] 其中，M表示接收阵元的个数，m＝0到M-1表示空间频率系数，si，j(k)表示由第i个发射阵元发射，第j个接收阵元接收的数据信号，d表示阵元间距， 表示由第i个发射阵元发射并通过M个接收阵元接收的数据变换到波束域后的数据；

[0024] S22：

[0025] 其中，GCF1(n)表示第一次广义相干系数ω1，n为控制GCF1(n)的低频成分的能量比。

[0026] 进一步，所述步骤S22中的m取值为0，所述第一次广义相干系数通过以下公式来计算：

[0027]

[0028] 其中， 表示由第i个发射阵元发射并通过M个接收阵元接收的数据变换到波束域后的数据中第0点的频谱；

[0029] 进一步，所述S5中的所有发射阵元的处理信号Yi(k)的第二次广义相干系数ω2的计算具体包括以下步骤：

[0030] S51：对处理信号Yi(k)通过以下公式来进行离散傅里叶变换形成波束域数据[0031]

[0032] 其中，M表示发射阵元的个数，yi(k)表示第i个发射阵元的处理信号，m＝0到M-1表示空间频率系数，d表示阵元间距，所述波束域数据 表示所有M个发射阵元的处理信号变换到波束域后的数据。

[0033] S52：通过以下公式来计算第二次广义相干系数：

[0034]

[0035] 其中，GCF2(n)表示第二次广义相干系数ω2，n为控制GCF2(n)的低频成分的能量比。

[0036] 进一步，所述步骤S52中的m取值为0，所述第二次广义相干系数通过以下公式来计算：

[0037]

[0038] 其中， 表示所有M个发射阵元的处理信号变换到波束域后的数据中第0点的频谱。本发明的优点在于：本发明利用广义相干系数在相位存在误差时的鲁棒性与合成聚焦成像高分辨率的特点，将广义相干系数引入到合成聚焦的成像方法中，作为自适应加权因子去校正由声速不均匀性所引起的聚焦误差；提高分辨率并修正由生物组织的声速不均匀性引入的聚焦误差，针对合成聚焦数据的特点，对回波数据进行双次广义相干系数算法处理，该方法在图像分辨率、对比度以及校正聚焦误差上都明显优于传统的延时叠加与合成聚焦成像方法。

[0039] 本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

[0040] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

[0041] 图1为基于广义相干系数的合成聚焦成像方法的流程图；

[0042] 图2为合成聚焦波束收发的空间几何关系；

[0043] 图3为点目标各种成像对比；

[0044] 图4为点目标在深度60mm处的横向分辨率对比图；

[0045] 图5为点目标各种成像对比；

[0046] 图6为点目标各种成像方法在60mm处的横向分辨率。

具体实施方式

[0047] 以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

[0048] 本发明利用广义相干系数在相位存在误差时的鲁棒性与合成聚焦成像高分辨率的特点，将广义相干系数引入到合成聚焦的成像方法，其中合成聚焦的基本原理：假设阵元总数为M，第一次是第1个阵元发射，全孔径接收；第二次是第2个阵元发射，全孔径接收；依次类推，直到第M次最后一个阵元发射，全孔径接收。因此合成聚焦所得到的数据集包含了所有单个阵元发射和所有阵元接收的组合关系。如图2所示，图2为合成聚焦波束收发的空间几何关系，对空间某点K，合成聚焦表示为：

[0049]

[0050] 式中，Si(r，θ)表示合成聚焦后的信号，Sm，n(t)为接收到的回波信号，M为发射阵元和接收阵元的总数，τn为第n个发射阵元的发射延迟时间，τm为第m个接收阵元的接收延迟时间，r表示空间中K点到坐标原点的距离，θ表示空间中K点与坐标原点的连线与中心线的夹角，r/c为线性阵列超声信号从空间某点K(x，y)传播到坐标原点的时间，ω1、ω2为复值加权参数。

[0051] 图1为基于广义相干系数的合成聚焦成像方法的流程图，如图所示：本发明提供的基于广义相干系数的合成聚焦成像方法，包括以下步骤：

[0052] 首先将程序中的参数初始化，包括设置空间第K点、发射阵元、接收阵元的初值；

[0053] S1：获取空间第K点的由第i个发射阵元发射并通过M个接收阵元接收的数据信号Si(k)，其中，Si(k)＝[si，1(k)，…，si，M(k)]，si，M(k)表示第i个发射阵元发射第M个接收阵元接收的数据信号；

[0054] 所述S1中的数据信号Si(k)是将第i个发射阵元发射并通过M个接收阵元接收的关于空间第K点的接收回波信号经过聚焦延时处理后形成的数据信号。由于中间点目标的回波信号到各个阵元的距离不一样，到各个通道的时间也不一样，根据换能器的参数计算出到各个通道的延时时间，对其进行延时，使达到同相相加。

[0055] S2：计算数据信号Si(k)的第一次广义相干系数ω1；所述第一次广义相干系数ω1的计算具体包括以下步骤：

[0056] S21：：对数据信号Si(k)通过以下公式进行离散傅里叶变换形成波束域数据[0057]

[0058] 其中，M表示接收阵元的个数，m＝0到M-1表示空间频率系数，si，j(k)表示由第i个发射阵元发射，第j个接收阵元接收的数据信号，d表示阵元间距， 表示由第i个发射阵元发射并通过M个接收阵元接收的数据变换到波束域后的数据。

[0059] S22：通过以下公式来计算第一次广义相干系数：

[0060]

[0061] 其中，GCF1(n)表示第一次广义相干系数ω1，n为控制GCF1(n)的低频成分的能量比。

[0062] 其 中， 根 据 帕 斯 伐 尔 定 理 (Parseval’s relation) 可 知，[0063] 所述步骤S22中的m取值为0，所述第一次广义相干系数通过以下公式来计算：

[0064]

[0065] 其中， 表示由第i个发射阵元发射并通过M个接收阵元接收的数据变换到波束域后的数据中第0点的频谱。

[0066] S3：将数据信号Si(k)求和后与第一次广义相干系数ω1进行加权，得到第i次发射接收信号的单次处理信号yi(k)，即通过以下公式来计算第i次发射的处理信号yi(k)；

[0067]

[0068] 其中，Si，j(k)表示第i个发射阵元发射被第j个接收阵元接收的数据信号，M表示接收阵元的个数；

[0069] S4：重复S1-S3计算所有发射阵元的处理信号Yi(k)，处理下一个发射阵元的处理信号，直到处理完所有发射阵元的处理信号，所述处理信号为：

[0070] Yi(k)＝[y1(k)，y2(k)，...yN(k)]，其中，yN(k)表示单次第N次发射单元的处理信号；

[0071] S5：计算所有发射阵元的处理信号Yi(k)的第二次广义相干系数ω2，所述第二次广义相干系数ω2的计算具体包括以下步骤：

[0072] S51：对处理信号Yi(k)通过以下公式来进行离散傅里叶变换形成波束域数据[0073]

[0074] 其中，M表示发射阵元的个数，yi(k)表示第i个发射阵元的处理信号，m＝0到M-1表示空间频率系数，d表示阵元间距，所述波束域数据 表示所有M个发射阵元的处理信号变换到波束域后的数据。

[0075] S52：通过以下公式来计算第二次广义相干系数：

[0076]

[0077] 其中，GCF2(n)表示第二次广义相干系数ω2，n为控制GCF2(n)的低频成分的能量比。

[0078] 其中，根据帕斯伐尔定理(Parseval’s relation)可知，

[0079] 所述步骤S52中的m取值为0，所述第二次广义相干系数通过以下公式来计算：

[0080]

[0081] 其中， 表示所有M个发射阵元的处理信号变换到波束域后的数据中第0点的频谱。S6：将所有发射阵元的处理信号Yi(k)求和后与第二次广义相干系数ω2进行加权，得到空间第K点的幅值， 其中，p(k)表示空间第K点的图像幅值；

[0082] S7：重复S1-S6遍历空间所有点的图像数据信号。处理下一个空间点的图像数据信号，直到处理完所有空间点的图像数据信号。

[0083] 下面详细描述利用超声仿真软件Field II仿真合成聚焦(SF)，产生完备的仿真数据集，完成一系列的对比测试。

[0084] 仿真参数设置为：64阵元线性阵列，中心频率为3.5MHz，声速为1540m/s，阵元间距为半个波长，采样频率为50MHz。9个散射点空间目标(x，y，z)为(0，0，30)，(0，0，40)，(-4，0，50)，(-2，0，50)，(0，0，50)，(2，0，50)，(4，0，50)，(0，0，60)，(0，0，70)。

[0085] 图3为点目标各种成像对比，图4为点目标在深度60mm处的横向分辨率对比图；图5为点目标各种成像对比；图6为点目标各种成像方法在60mm处的横向分辨率，如图所示，图3为不同方法对不同深度散射点的成像结果，其中，(a)表示传统延时叠加(DAS)；(b)表示合成聚焦(SF)；(c)表示合成聚焦与相干系数(SF+CF)；(d)表示合成聚焦与广义相干系数，频带参数m＝1(SF+GCF1)。

[0086] 从图3中可以得出，图3(b)得到的分辨率和对比度明显高于图3(a)，这是因为合成聚焦实现发射和接收的双向聚焦，相对于DAS能够获得更好的分辨率和对比度；合成聚焦算法与CF、GCF相结合，图像的分辨率和对比度都有显著提高。其中与CF算法结合，图像效果提高更加明显。这是由于对于点目标以及相位无误差的情况，广义相干系数分子部分增加了多余的求和项，使得算法向着非加权方向靠拢，所以图3(d)比图3(c)的成像质量会略有所下降。

[0087] 为了进一步研究分辨率和对比度的情况，截取横截面进行观察。图4给出在深度60mm处的横向分辨率对比图。从图4中可以看出SF与CF结合的方法所得结果的分辨率和对比度最高，其次为SF与GCF结合的方法，最后依次为SF、DAS。

[0088] 根据相关文献的研究表明：只对点散射目标进行分析，并不能全面的对成像质量进行评估。GCF算法是在各路回波信号本身具有不相干特性的情况下提出的，如果仅仅使用相干系数加权，不考虑这部分影响，不一定能获得最好的成像效果。因此，接下来针对斑散射目标进行仿真成像实验。

[0089] 斑散射目标的成像深度为30～50mm。散射目标是中心位于40mm深度，半径为5mm的圆形吸声体，散射体呈高斯分布。仿真参数设置同点散射目标仿真参数一致。图5为不同波束形成方法的重建图像，其中，(a)表示传统延时叠加(DAS)；(b)表示合成聚焦(SF)；(c)表示合成聚焦与相干系数(SF+CF)；(d)表示合成聚焦与广义相干系数，频带参数m＝
1(SF+GCF1)。

[0090] 从图5中可以看出，图5(b)中外部背景区域的轮廓相对于图5(a)更加清晰；SF在分别结合了CF或者GCF后，图5(c)和图5(d)的图像对比度得到明显的提高，同时中心的圆形吸声体轮廓更加清晰，没有伪像。使用CF加权后，背景区域的强度变化很大。这是因为对于斑散射目标，由于各通道接收信号存在固有的不相干性，因此用于GCF的估计的低频范围应该扩大。

[0091] 为了进一步论证GCF在存在聚焦误差时，仍然可以获得较好的成像效果。重复对点目标的成像实验，用不正确的声速(1570m/s)对图像进行重建。图6给出了在深度60mm处的点目标各种成像方法的横向分辨率对比。

[0092] 从图6中可以看出，由于存在聚焦误差，相对于传统的延时叠加算法，合成聚焦对图像质量的提高不是很明显，但是使用CF和GCF加权后，图像旁瓣等级得到抑制，图像的对比度得到提高。

[0093] 综上所述，本发明提供的实施例针对实际医学超声图像分辨率不够高以及由生物组织不均匀引起的聚焦误差的问题，提出将广义相干系数引入到合成聚焦的成像方法，充分利用合成聚焦分辨率高的特点和广义相干系数作为自适应加权因子去校正由声速不均匀性所引起的聚焦误差。

[0094] 根据点散射目标和斑散射目标的成像实验结果可知：该方法可以有效提高图像的分辨率和对比度；即使存在聚焦误差，仍然可以通过对旁瓣的有效抑制，获得较好的成像效果；考虑到点散射目标和斑散射目标的特性不同，广义相干系数参数中分子部分的低频参数范围设置也不同。根据大量的实验测试表明：对于点目标，m一般选为0，即使用相干系数加权；对于斑散射点，考虑到接收信号存在固有的相干性，m一般选为1～3。

[0095] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。