合成聚焦超聲成像方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及超聲波圖像成像領(lǐng)域，具體地，涉及一種合成聚焦超聲成像方法和裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 超聲成像因?yàn)榫哂袑?shí)時(shí)，廉價(jià)，非侵入性和非電離輻射等優(yōu)點(diǎn)而廣泛地用于臨床 診斷。空間分辨率，時(shí)間分辨率和對(duì)比度是三個(gè)評(píng)價(jià)超聲圖像的指標(biāo)，高時(shí)空分辨率和高對(duì) 比度的超聲圖像能更好的輔助臨床診斷。但可惜的是這三者并不能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)。
[0003] 傳統(tǒng)的超聲成像中，通過(guò)發(fā)射聚焦波而得到一條圖像掃描線。這種模式所得到的 圖像具有較高的空間分辨率和對(duì)比度，特別是在發(fā)射聚焦區(qū)域。但是因?yàn)橐环鶊D像通常需 要上百條掃描線從而需要上百次的發(fā)射次數(shù)，所以這種模式的幀頻，即時(shí)間分辨率，不夠 高。雖然減小每次發(fā)射的聚焦區(qū)域的個(gè)數(shù)可以有效地提高幀頻，但這樣會(huì)降低圖像的空間 分辨率和對(duì)比度。
[0004] 合成聚焦法作為一種合成孔徑方法，早在1992年就被提出用于提高超聲圖像的 空間分辨率。在合成聚焦法中，對(duì)于具有128個(gè)陣元的超聲探頭，依次激勵(lì)每個(gè)陣元發(fā)射超 聲波，每個(gè)陣元發(fā)射超聲波后，所有陣元一起接收回波信號(hào)。圖1示出了現(xiàn)有的合成聚焦超 聲成像以及其中原始信號(hào)，的提取的示意圖。斜直線表示超聲探頭。斜直線上的黑色矩形 框表示合成聚焦模式下每次發(fā)射時(shí)的激活陣元，而探頭上的其他陣元未被激活。向上實(shí)線 箭頭表示回波信號(hào)的接收過(guò)程，圖1示出共進(jìn)行了 η次發(fā)射和接收，向右虛線箭頭表示原始 信號(hào)X的提取過(guò)程。對(duì)于128個(gè)陣元的超聲探頭，η取128。每一次發(fā)射和接收形成一幅低 質(zhì)量的超聲圖像。根據(jù)η幅低質(zhì)量的圖像即可得到一幅高質(zhì)量的圖像。具體地，用矩陣X i 表示所有陣元第i次接收到的合成聚焦通道數(shù)據(jù)。該矩陣Xi有2*d*fs/c行，128列，其中， d為采樣深度，fs為采樣頻率，c為聲速。矩陣Xi中的每列對(duì)應(yīng)相應(yīng)陣元接收到的回波信 號(hào)。經(jīng)η次發(fā)射、接收后，數(shù)據(jù)集XjX 1J2,...XJ即為合成聚焦通道數(shù)據(jù)集，其為合成聚焦 通道數(shù)據(jù)Xi的集合。
[0005] 因?yàn)楹铣删劢狗軌驅(qū)崿F(xiàn)發(fā)射和接收的雙向動(dòng)態(tài)聚焦，所以該方法獲得的超聲圖 像具有很高的空間分辨率。其分辨率等價(jià)于傳統(tǒng)模式下有無(wú)限個(gè)發(fā)射聚焦區(qū)域的情況。但 因?yàn)楹铣删劢狗ㄖ忻看沃挥幸粋€(gè)陣元被激活，能量非常低，所以獲得的超聲圖像的對(duì)比度 不高?；谶@種情況，合成發(fā)射孔徑（synthetic transmit aperture)法被提出用于提高 超聲圖像的對(duì)比度?；诤铣砂l(fā)射孔徑法的超聲成像中，將陣列劃分為多個(gè)子孔徑，每個(gè)子 孔徑由多個(gè)連續(xù)的陣元構(gòu)成。通過(guò)依次激活每一個(gè)子孔徑發(fā)射超聲波，所有陣元接收回波 信號(hào)來(lái)得到超聲圖像。這種方法和合成聚焦法相比，因?yàn)槊看渭せ畹年囋獢?shù)多而提高了圖 像對(duì)比度，而且其發(fā)射次數(shù)也比合成聚焦少，所以能得到更高的幀率。但是這種模式卻犧牲 了空間分辨率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了至少部分地解決上述技術(shù)問(wèn)題，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種合成聚焦 超聲成像方法，包括：
[0007] 激勵(lì)超聲探頭的多個(gè)陣元多次發(fā)射平面波，其中所述多個(gè)陣元每次發(fā)射平面波時(shí) 的發(fā)射變跡（transmit apodization)與其元素成隨機(jī)分布的測(cè)量矩陣中的相應(yīng)行相對(duì) 應(yīng)；
[0008] 每發(fā)射一次平面波后，激勵(lì)所述超聲探頭的所有陣元接收回波信號(hào)，以獲得通道 數(shù)據(jù)；
[0009] 根據(jù)通道數(shù)據(jù)集和所述測(cè)量矩陣，利用壓縮感知重建算法恢復(fù)合成聚焦通道數(shù)據(jù) 集；以及
[0010] 對(duì)所述合成聚焦通道數(shù)據(jù)集進(jìn)行波束合成，以生成超聲波圖像。
[0011] 可選地，所述隨機(jī)分布是0至1的隨機(jī)分布。
[0012] 可選地，所述恢復(fù)合成聚焦通道數(shù)據(jù)集的步驟進(jìn)一步包括：
[0013] 根據(jù)所述通道數(shù)據(jù)集、所述測(cè)量矩陣和稀疏基，利用所述壓縮感知重建算法計(jì)算 待恢復(fù)信號(hào)的稀疏表達(dá)；以及
[0014] 利用所述稀疏基對(duì)所述待恢復(fù)信號(hào)的稀疏表達(dá)進(jìn)行稀疏反變換，從而恢復(fù)出所述 合成聚焦通道數(shù)據(jù)集。
[0015] 可選地，所述稀疏基是小波基。
[0016] 可選地，所述計(jì)算待恢復(fù)信號(hào)的稀疏表達(dá)是利用1-范數(shù)最小求解方法。
[0017] 可選地，所述計(jì)算待恢復(fù)信號(hào)的稀疏表達(dá)之前，所述通道數(shù)據(jù)被歸一化。
[0018] 可選地，對(duì)于通道數(shù)據(jù)集中每個(gè)矩陣的第m行、第η列的元素全部為0的情況，將 所述合成聚焦通道數(shù)據(jù)集的每個(gè)矩陣的第m行、第η列的元素全部直接置為0。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明另一方面，還提供了一種合成聚焦超聲成像裝置，包括：
[0020] 激勵(lì)發(fā)射模塊，用于激勵(lì)超聲探頭的多個(gè)陣元多次發(fā)射平面波，其中所述多個(gè)陣 兀每次發(fā)射平面波時(shí)的發(fā)射變跡與其兀素成隨機(jī)分布的測(cè)量矩陣中的相應(yīng)行相對(duì)應(yīng)；
[0021] 激勵(lì)采集模塊，每發(fā)射一次平面波后，激勵(lì)所述超聲探頭的所有陣元接收回波信 號(hào)，以獲得通道數(shù)據(jù)；
[0022] 數(shù)據(jù)恢復(fù)模塊，用于根據(jù)通道數(shù)據(jù)集和所述測(cè)量矩陣，利用壓縮感知重建算法恢 復(fù)合成聚焦通道數(shù)據(jù)集；以及
[0023] 圖像重建模塊，用于對(duì)所述合成聚焦通道數(shù)據(jù)集進(jìn)行波束合成，以生成超聲波圖 像。
[0024] 可選地，所述隨機(jī)分布是0至1的隨機(jī)分布。
[0025] 可選地，所述數(shù)據(jù)恢復(fù)模塊進(jìn)一步包括：
[0026] 第一計(jì)算模塊，用于根據(jù)所述通道數(shù)據(jù)集、所述測(cè)量矩陣和稀疏基，利用所述壓縮 感知重建算法計(jì)算待恢復(fù)信號(hào)的稀疏表達(dá)；以及
[0027] 第二計(jì)算模塊，用于利用所述稀疏基對(duì)所述待恢復(fù)信號(hào)的稀疏表達(dá)進(jìn)行稀疏反變 換，從而恢復(fù)出所述合成聚焦通道數(shù)據(jù)集。
[0028] 利用上述方法和裝置所獲得的超聲波圖像不僅具有很高分辨率；而且因?yàn)槌暡?的發(fā)射次數(shù)較少，每次發(fā)射能量高，因此圖像還具有高幀頻、高對(duì)比度的優(yōu)點(diǎn)。
[0029] 在
【發(fā)明內(nèi)容】
中引入了一系列簡(jiǎn)化形式的概念，這將在【具體實(shí)施方式】部分中進(jìn)一步 詳細(xì)說(shuō)明。本
【發(fā)明內(nèi)容】
部分并不意味著要試圖限定出所要求保護(hù)的技術(shù)方案的關(guān)鍵特征和 必要技術(shù)特征，更不意味著試圖確定所要求保護(hù)的技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
[0030] 以下結(jié)合附圖，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征。
【附圖說(shuō)明】
[0031] 本發(fā)明的下列附圖在此作為本發(fā)明的一部分用于理解本發(fā)明。附圖中示出了本發(fā) 明的實(shí)施方式及其描述，用來(lái)解釋本發(fā)明的原理。在附圖中，
[0032] 圖1示出了現(xiàn)有的合成聚焦超聲成像以及其中原始信號(hào)的提取的示意圖；
[0033] 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的合成聚焦超聲成像以及其中測(cè)量信號(hào) 的提取的不意圖；
[0034] 圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的合成聚焦超聲成像方法的流程圖；
[0035] 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的測(cè)量信號(hào)的示意圖；
[0036] 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的所恢復(fù)信號(hào)的示意圖；
[0037] 圖6示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的待恢復(fù)信號(hào)的稀疏表達(dá)的示意圖；以及
[0038] 圖7示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的合成聚焦超聲成像裝置的示意性框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 在下文的描述中，提供了大量的細(xì)節(jié)以便能夠徹底地理解本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域技 術(shù)人員可以了解，如下描述僅涉及本發(fā)明的較佳實(shí)施例，本發(fā)明可以無(wú)需一個(gè)或多個(gè)這樣 的細(xì)節(jié)而得以實(shí)施。此外，為了避免與本發(fā)明發(fā)生混淆，對(duì)于本領(lǐng)域公知的一些技術(shù)特征未 進(jìn)行描述。
[0040] 壓縮感知理論表明，如果信號(hào)XelT是稀疏的或者在某個(gè)變換域是可壓縮的，那么 其可以從遠(yuǎn)低于奈奎斯特采樣頻率的信號(hào)中被高概率的恢復(fù)。因?yàn)檫@個(gè)性質(zhì)，壓縮感知可 以應(yīng)用于數(shù)據(jù)壓縮，通道編碼，逆問(wèn)題求解和數(shù)據(jù)采集。目前壓縮感知理論在超聲領(lǐng)域的應(yīng) 用主要集中在減少數(shù)據(jù)量的問(wèn)題上。Liebgott和Eld