CN101893705B - 基于超声成像系统的动态孔径控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超声成像技术领域，具体涉及一种基于超声成像系统的动态孔径控制方法，该方法针对凸阵探头，顺序扫描方式的超声成像。该控制方法将探测深度均匀分段，通过已知的探头参数：探头曲率半径和阵元间距，计算得到在不同深度下能够完全覆盖相邻两条扫描线之间区域的波束宽度，再根据不同探测深度的波束宽度值，依照离散阵型的探头归一化指向性函数，反推在对应深度下探头所需开启的阵元个数，本动态孔径控制方法通过计算得到完全覆盖相邻两扫描线之间区域的波束宽度，可消除部分不能成像的死区区域，提高系统对扫描线之间区域的成像能力，从而有效地提高超声系统的整体成像质量。

Description

基于超声成像系统的动态孔径控制方法

技术领域

本发明属于超声成像技术领域，具体涉及一种基于超声成像系统的动态孔径控制方法。

背景技术

在超声成像系统中，随着接收超声回波信号深度的增加，动态控制探头接收阵元开启的过程，称为动态孔径控制技术。

动态孔径控制技术是超声成像系统中的一个重要环节，具有许多优点。然而关于这方面的研究却鲜有报道，通常在工程实现中，主要是通过人工方法进行多次反复实验去修正、调整动态孔径的控制参数，从而得到一组较好的动态孔径控制参数，但是整个实现过程非常机械与繁琐，如果探头参数，探测对象发生改变，那么就需要重复机械与繁琐的实验工作，重新得到一组动态孔径的控制参数；而且现有的动态孔径控制技术中，超声成像系统对扫描线之间区域的成像能力较弱，对整体成像质量造成一定的影响。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明公开了基于超声成像系统的动态孔径控制方法，对探头的孔径大小进行动态控制，并能有效地提高成像质量。

本发明的目的是这样实现的：基于超声成像系统的动态孔径控制方法，包括如下步骤：

1)获取超声波回波信号，分析超声波回波信号的探测深度，将探测深度均匀分段，得到均匀分布的多个深度；

2)对步骤1)获得的每一个深度，计算该深度下正好能够完全覆盖相邻两条扫描线之间区域的波束宽度；

3)对下式进行循环迭代计算，得到对应深度z_k下探头所需开启阵元的个数N_k：

$D({\mathrm{bw}}_k/2,z_k)=D(-{\mathrm{bw}}_k/2,z_k)=\left|\underset{i=1}{\overset{N_k}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{A}}_i\exp (-\mathrm{j\Δ}{\mathrm{\φ}}_i)\right|/\left|\underset{i=1}{\overset{N_k}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{A}}_i\right|\≈0.707(-3\mathrm{dB});$

式中，

为第i个阵元的响应复振幅，Δφ_i为第i个阵元在计算点(x，z)与焦点的声波相位差，N为探头阵元个数；bw_k为深度z_k下对应的正好能够完全覆盖相邻两条扫描线之间区域的波束宽度；

根据所得的对应深度z_k下探头所需开启阵元的个数N_k，控制超声波成像系统探头阵元的开启的个数。

进一步，所述步骤1)中，通过下式对探测深度均匀分段，得到均匀分布的多个深度：

z_k＝depth*k/K，k＝1，2，3，…，K；

式中depth为探测深度，K为均匀分段数；

进一步，所述步骤2)包括如下步骤：

21)确定步骤1)得到的每一个深度z_k，计算该深度下相邻两条扫描线之间的距离dl_k：

式中d为阵元间距，R为探头曲率半径；

22)根据步骤21)确定得到相邻两条扫描线之间距离dl_k，计算深度z_k下覆盖相邻两条扫描线之间区域的波束宽度bw_k：bw_k＝dl_k；

进一步，步骤3)中，循环迭代计算的方法如下：

31)判断探头阵元个数N的奇偶，N为奇数时，N_k取1为初值；N为偶数时，N_k取2为初值；

32)将波束宽度bw_k，探测深度z_k，阵元的开启个数N_k代入动态孔径控制计算式，判断结果是否小于等于-3dB；否，则转入步骤33)，是，则转入步骤34)；

33)将N_k的值自加2，返回步骤32)；

34)根据N_k控制超声波成像系统探头阵元的开启的个数。

本发明的有益效果是：通过计算得到完全覆盖相邻两扫描线之间区域的波束宽度，可以消除部分不能成像的死区区域，从而提高超声成像系统对扫描线之间区域的成像能力，并能有效地提高超声成像系统的整体成像质量。

附图说明

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：

图1示出了本发明超声波成像系统的动态孔径控制方法的控制原理示意图；

图2示出了本发明实施例中，对某凸阵探头阵元开启变换图。

具体实施方式

以下将对本发明的优选实施例进行详细的描述。

参见图1，其中，o为坐标原点，d为阵元间距，R为探头曲率半径，3为探头阵元，阵元个数为N。图1中所示的波束2是希望通过动态控制后得到的效果，该波束宽度是以波束相对中心扫描线1，向两侧下降3dB时所对应的宽度。

本实施例基于超声成像系统的动态孔径控制方法，针对凸阵探头，顺序扫描方式的超声成像，包括如下步骤：

1)获取超声波回波信号，分析超声波回波信号的探测深度，通过下式对探测深度均匀分段，得到均匀分布的多个深度：

z_k＝depth*k/K，k＝1，2，3，…，K；

式中depth为探测深度，K为均匀分段数，k∈[1，K]；

2)对步骤1)获得的每一个深度，计算该深度下正好能够完全覆盖相邻两条扫描线之间区域的波束宽度；具体包括如下步骤：

21)确定步骤1)得到的每一个深度z_k，计算该深度下相邻两条扫描线之间的距离dl_k：

式中d为阵元间距，R为探头曲率半径；

22)根据步骤21)确定得到相邻两条扫描线之间距离dl_k，计算深度z_k下覆盖相邻两条扫描线之间区域的波束宽度bw_k：bw_k＝dl_k；

bw_k为对应z_k深度下的波束宽度，该宽度满足：

3)对下式进行循环迭代计算，得到对应深度z_k下探头所需开启阵元的个数N_k：

$D({\mathrm{bw}}_k/2,z_k)=D(-{\mathrm{bw}}_k/2,z_k)=\left|\underset{i=1}{\overset{N_k}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{A}}_i\exp (-\mathrm{j\Δ}{\mathrm{\φ}}_i)\right|/\left|\underset{i=1}{\overset{N_k}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{A}}_i\right|\≈0.707(-3\mathrm{dB});$

式中，N_k即为在不同的探测深度z_k处，对应的阵元开启个数，为第i个阵元的响应复振幅，Δφ_i为第i个阵元在计算点(x，z)与焦点的声波相位差，N为探头阵元个数；bw_k为深度z_k下对应的正好能够完全覆盖相邻两条扫描线之间区域的波束宽度；

循环迭代计算的方法如下：

31)判断探头阵元个数N的奇偶，N为奇数时，N_k取1为初值；N为偶数时，N_k取2为初值；

32)将波束宽度bw_k，探测深度z_k，阵元的开启个数N_k代入动态孔径控制计算式，判断结果是否小于等于-3dB；否，则转入步骤33)，是，则转入步骤34)；

33)将N_k的值自加2，返回步骤32)；

34)根据N_k控制超声波成像系统探头阵元的开启的个数。

步骤3)中计算公式的推导过程如下：

①已知离散阵型的探头归一化指向性函数，即声场分布计算公式为：

式中为第i个阵元的响应复振幅，Δφ_i为第i个阵元在计算点(x，z)与焦点的声波相位差，N为探头阵元个数；

②令步骤①式中的焦点在z轴，则波束的主极大方向为z轴方向，焦点深度对应为不同的探测深度z_k，有

成立；

③波束相对主极大方向，向两侧下降-3dB时所对应的宽度为超声成像系统的横向分辨率，并同时希望通过动态孔径控制使得该宽度也为覆盖相邻两条扫描线之间区域的波束宽度bw_k，根据步骤②推得动态孔径控制的计算式为：式中N_k即为在不同探测深度z_k处，对应的阵元开启个数，由于N_k只能取整数，因而不一定刚好得到-3dB的值。

图2是基于本发明方法的某凸阵探头阵元开启变换图，横轴为探测深度，纵轴为对应深度下开启的阵元数目。其中探头参数为，阵元间距d＝0.78mm，探头曲率半径R＝60mm，超声声速c＝1540m/s，脉冲中心频率f_c＝3.5MHz，将探测深度均匀分为10段，z₁＝20，z₂＝40，......z₁₀＝200，单位mm。

以上所述仅为本发明的优选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。

Claims (4)

1.基于超声成像系统的动态孔径控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)获取超声波回波信号，分析超声波回波信号的探测深度，将该深度均匀分段，得到均匀分布的多个深度；

2)根据步骤1)计算不同深度下相邻两条扫描线之间的距离；

3)对步骤2)获得的每一个深度下相邻两条扫描线之间距离，计算该深度下正好能够完全覆盖相邻两条扫描线之间区域的波束宽度；

4)对步骤3)获得的波束宽度反推在对应深度下探头所需开启的阵元个数；

对下式进行循环迭代计算，得到对应深度z_k下探头所需开启阵元的个数N_k：

$D({\mathrm{bw}}_k/2,z_k)=D(-b{w}_k/2,z_k)=\left|\underset{i=1}{\overset{N_k}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{A}}_i\exp (-\mathrm{j\Δ}{\mathrm{\φ}}_i)\right|/\left|\underset{i=1}{\overset{N_k}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{A}}_i\right|\≈0.707(-3\mathrm{dB});$

上面动态孔径计算式中，

为第i个阵元的响应复振幅，Δφ_i为第i个阵元在计算点(x，z)与焦点的声波相位差，N为探头阵元个数；bw_k为深度z_k下对应的正好能够完全覆盖相邻两条扫描线之间区域的波束宽度；

根据所得的对应深度z_k下探头所需开启阵元的个数N_k，控制超声波成像系统探头阵元的开启的个数。

2.根据权利要求1所述的基于超声成像系统的动态孔径控制方法，其特征在于：所述步骤1)中，通过下式对探测深度均匀分段，得到均匀分布的多个深度z_k：

z_k＝depth*k/K，k＝1，2，3，…，K；

式中depth为探测深度，K为均匀分段数。

3.根据权利要求1所述的基于超声成像系统的动态孔径控制方法，其特征在于：所述步骤2)包括如下步骤：

21)确定步骤1)得到的每一个深度z_k，计算该深度下相邻两条扫描线之间的距离dl_k：

式中d为阵元间距，R为探头曲率半径；

22)根据步骤21)确定得到相邻两条扫描线之间距离dl_k，计算深度z_k下覆盖相邻两条扫描线之间区域的波束宽度bw_k：bw_k＝dl_k。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于超声成像系统的动态孔径控制方法，其特征在于：

步骤4)中，为了得到对应深度下探头所需开启阵元的个数，循环迭代计算的方法如下：

31)判断探头阵元个数N的奇偶，N为奇数时，N_k取1为初值；N为偶数时，N_k取2为初值；

32)将波束宽度bw_k，探测深度z_k，阵元的开启个数N_k代入动态孔径计算式，判断结果是否小于等于-3dB；否，则转入步骤33)，是，则转入步骤34)；

$D({\mathrm{bw}}_k/2,z_k)=D(-b{w}_k/2,z_k)=\left|\underset{i=1}{\overset{N_k}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{A}}_i\exp (-\mathrm{j\Δ}{\mathrm{\φ}}_i)\right|/\left|\underset{i=1}{\overset{N_k}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{A}}_i\right|\≈0.707(-3\mathrm{dB});$

上面动态孔径计算式中，为第i个阵元的响应复振幅，Δφ_i为第i个阵元在计算点(x，z)与焦点的声波相位差，N为探头阵元个数；bw_k为深度z_k下对应的正好能够完全覆盖相邻两条扫描线之间区域的波束宽度；

33)将N_k的值自加2，返回步骤32)；

34)根据N_k控制超声波成像系统探头阵元的开启的个数。

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