CN105411626B - 一种基于超声ct的合成孔径成像方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超声CT的合成孔径成像方法及系统，所述方法包括如下步骤：S1、利用超声CT环阵探头采集超声反射接收的数据，获取原始回波数据；S2、对所述原始回波数据进行合成孔径聚焦，获取各成像点的值；S3、旋转超声CT的环阵探头，重复步骤S1‑S2，得到多组成像点的值；其中每次旋转的角度小于相邻两个阵元到环阵探头圆心之间的夹角；S4、对所有成像点的值进行加权平均，再依次进行包络检测、对数压缩和灰度映射处理，得到最终的高分辨率图像。本发明还提供了实现上述方法的系统。本发明通过UCT多次旋转采集原始数据，并进行加权叠加等方式进行处理，可有效减少噪声的影响，提高图像分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及高分辨率超声成像技术领域，具体涉及一种基于超声CT的合成孔径成像方法及系统。
背景技术
超声CT是指在不损伤研究物体内部结构的基础上，通过超声设备测量物体在超声波的照射下投影数据，利用这些数据可以重建出二维或者三维的超声图像。超声检测具有指向性好、价格低廉、对人体无害、设备便于携带等优点，因此，用超声波作为发射源的检测技术取代射线来照射对象，已逐渐成为超声应用领域的研究者们追求的新目标之一。
超声成像的主要缺点是超声图像的分辨率低、对比度差。超声CT系统采用环阵探头，与线阵探头相比，它能够提供360度回波数据，对这些数据进行处理，可以进一步提高图像的分辨率，改善成像质量，有助于医生临床上对疾病的诊断和治疗。超声CT成像有两种方式，反射式成像和透射式成像，根据不同的成像方式选择对应的回波数据进行重建。
目前国内尚无掌握超声CT环形探头微旋转采集数据的合成孔径成像方法的超声企业和研究单位。主要原因是该技术的几个难点在国内尚未被攻克：环阵探头的阵元数大，制作和加工工艺复杂；通道数多，数据量大；选择合适的重建算法实现高分辨率图像困难。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种基于超声CT的合成孔径成像方法及系统，通过UCT多次旋转采集原始数据，并进行加权叠加等方式进行处理，可有效减少噪声的影响，提高图像分辨率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种基于超声CT的合成孔径成像方法，所述方法包括如下步骤：
S1、利用超声CT环阵探头采集超声反射接收的数据，获取原始回波数据；
S2、对所述原始回波数据进行合成孔径聚焦，获取各成像点的值；
S3、旋转超声CT的环阵探头，重复步骤S1-S2，得到多组成像点的值；其中每次旋转的角度小于相邻两个阵元到环阵探头圆心之间的夹角；
S4、对所有成像点的值进行加权平均，再依次进行包络检测、对数压缩和灰度映射处理，得到最终的高分辨率图像。
作为进一步优选地，所述步骤S1中，对所述超声反射接收的数据进行预处理以提高图像重建的速度，所述预处理的方式为：截掉远离发射阵元的数据，保留发射阵元左右各45度接收阵元的回波数据，获取所述原始回波数据。
相应地，本发明还提供了一种基于超声CT的合成孔径成像系统，所述系统包括：
第一模块，用于利用超声CT环阵探头采集超声反射接收的数据，获取原始回波数据；
第二模块，用于对所述原始回波数据进行合成孔径聚焦，获取各成像点的值；
第三模块，用于旋转超声CT的环阵探头，得到多组成像点的值；其中每次旋转的角度小于相邻两个阵元到环阵探头圆心之间的夹角；
第四模块，用于对所有成像点的值进行加权平均，再依次进行包络检测、对数压缩和灰度映射处理，得到最终的高分辨率图像。
作为进一步优选地，所述第一模块还包括预处理模块，所述预处理模块用于对所述超声反射接收的数据进行预处理以提高图像重建的速度，所述预处理的方式为：截掉远离发射阵元的数据，保留发射阵元左右各45度接收阵元的回波数据，获取所述原始回波数据。
因此，本发明可以获得以下的有益效果：通过多次旋转UCT系统的环阵探头，可以获得多组原始回波数据，并进一步对大量原始数据进行加权叠加等方式进行处理，由于多次的数据采集和数据加权处理，可使噪声明显降低，图像分辨率和对比度得到提高。并且，由于在微旋转采集过程中可使超声环阵探头有效覆盖成像区域，因此这种成像方式不仅可以提高图像的分辨率，而且可以抑制阵元之间的间隙带来的伪信号。同时，通过对超声反射接收的数据进行预处理，截掉远离发射阵元的数据，只保留发射阵元左右各45度接收阵元的回波数据，可以有效提高图像重建的速度。总之实施本发明提高了信噪比和对比度，获得了传统的合成孔径成像方法无法达到的高分辨率。
附图说明
图1是本发明基于超声CT的合成孔径成像方法流程图；
图2是本发明UCT环阵示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为解决超声CT图像重建问题，本发明提供一种利用超声CT成像系统采集的数据，进行高分辨率图像重建的方法。本发明方法是将超声CT系统采集到的原始数据进行适当的处理，最后重建超声图像，其步骤包括旋转采集数据，数据预处理，区域剖分，延时叠加，加权平均，包络检测，对数压缩，灰度映射，显示。
如图1所示，本发明方法包括以下步骤：
S1、利用超声CT环阵探头采集超声反射接收的数据，获取原始回波数据；
S2、对所述原始回波数据进行合成孔径聚焦，获取各成像点的值；
S3、旋转超声CT的环阵探头，重复步骤S1-S2，得到多组成像点的值；其中每次旋转的角度小于相邻两个阵元到环阵探头圆心之间的夹角；
S4、对所有成像点的值进行加权平均，再依次进行包络检测、对数压缩和灰度映射处理，得到最终的高分辨率图像。
其中，上述步骤S1中，数据采集采用单发全接的方式，发射阵元按顺序依次发射信号，全部的阵元接收信号。图2是本发明UCT环阵示意图，由于数据量巨大，为了提高成像速度，要对数据先进行预处理：只保留发射阵元左右各45度接收阵元的回波数据，其他数据截掉。
上述步骤S2中，利用采集的原始数据成像。首先对成像区域进行剖分。根据成像区域的大小，选择合适的尺寸剖分网格，再利用采集的原始回波数据，计算每个网格中发射阵元对网格中成像点产生的影响。理论上剖分的网格数越多，分辨率越高，但由于衍射极限的影响，如果剖分的网格数过多，计算量加大，但成像效果并没有有效提高，因此要选择合适的网格大小。
每个网格作为一个成像点，采用合成孔径的方式计算成像点的值，将发射阵元到成像点的距离和接收阵元到成像点的距离相加，再除以声速，可以得到声波信号传输的时间，根据这个时间可以找到相应的扫描线上对应的采样点的位置。假设环阵探头共有L个阵元，截取数据后，对于每个发射阵元来说，在接收阵元的回波数据中共有L/4条扫描线，需要计算L/4次数据的位置，对于一次采集的数据则需要计算L^2/4次。根据计算的数据位置，将L^2/4条扫描线对齐后相加，得到最终的一条线数据，然后进行Hilbert变换，在变换后的数据中找到最终成像点的位置，得到该点的值。如果成像区域划分为N×N个格子，则用这种方式可以计算N×N个成像点的值。
微旋转环阵探头，再次采集数据，旋转的角度要小于相邻两个阵元到圆心之间的夹角，采集方式和预处理方式与第一次相同。旋转采集的次数由相邻两个阵元到圆心之间的夹角除以旋转角度决定，旋转角度越小，可旋转采集的次数越多。将环阵探头微旋转后，再次采集可以得到新的原始回波数据，用上述相同的处理方式可以再次得到N×N个成像点的值。如果进行M次旋转，则可以得到M个N×N的矩阵数据。将M个矩阵数据选择合适的权值进行加权平均，最终得到可以直接用于重建图像的矩阵数据。由于多次的数据采集和数据加权处理，可使噪声明显降低，图像分辨率和对比度得到提高。
包络检测检出信号的上包络，提取出回波信号中携带的低频分量，即被测物体信息。本系统中用到的包络检测的方法是希尔伯特变换法，希尔伯特变换是一种经典的求取信号包络的方法，原始信号经过希尔伯特变换将得到原始信号的正交信号，以原始信号为实部，以希尔伯特变换得到的信号为虚部构造复信号，这个复信号的模就是所要求的实信号的包络。
对数压缩将原始信号取以10为底的对数，并乘以20的倍数，单位是dB。取完对数之后可以调整回波的动态范围，以得到最好的实时成像效果，一般调整为40dB或60dB，其值越小对比度越高。具体方法，以60dB为例，是将信号中的最大值映射到60dB，将比最大信号小60dB的信号以及更小的信号映射到0dB。
灰度映射可优选采用简单的线性映射，即成比例地将最弱的信号映射到0，将最强的信号映射到255。
经过灰度映射之后的数据可直接进行图像的显示，本发明中可直接调用MATLAB中的成像函数即可得到高分辨率超声CT图像。
以下结合一个具体实施例对本发明方案作进一步说明。
本实施例中，超声CT成像(UCT)系统采用环阵探头，采集一次即可获得大量原始数据。为了能够获得高分辨率图像，本发明将探头旋转一定角度，再次进行采集，多次旋转多次采集之后，可通过对大量原始数据进行加权叠加等方式进行处理，减少噪声的影响，提高图像分辨率。
采用超声反射接收的数据进行图像重建，假设超声在理想介质中传播，声速变化不大，反射型超声是根据回波信息来重建图象的。由于多次旋转探头采集数据，数据量巨大，而实际的反射成像只需要用到发射阵元附近接收阵元的数据，因此，为了提高图像重建的速度，可先对采集到的数据进行初步的预处理。截掉远离发射阵元的数据，只保留发射阵元左右各45度接收阵元的回波数据。
利用预处理后的数据进行图像重建，采用的是SAFT(Synthetic AperturFocusing Technique合成孔径聚焦技术)的方法，该方法相当于对接收到的回波信号进行聚焦。首先将成像区域划分为N×N个网格，每个格子中的区域作为成像点，计算每个发射阵元对该成像点产生的影响，即对于每个发射阵元发出的信号来说，接收阵元在该点处的回波数据。将所有的回波数据进行对齐叠加后进行Hilbert transform(希尔波特变换)，最后可得到该点数据值。在对每个格子中的区域进行计算完成后，可以得到N×N的矩阵数据，对数据进行对数压缩，灰度映射，得到重建的图像。
为了提高图像的分辨率，可采用将环阵探头进行微旋转，再次采集数据，旋转的角度要小于相邻两个阵元到圆心之间的夹角。将再次采集的数据用与前面相同的方法进行计算，与前面的计算相比，成像区域保持不变，各个阵元的位置发生了微小的改变，计算完成后，又可以得到N×N个数据，如果进行M次旋转，则可以得到M个N×N的矩阵。将矩阵中的数据加权叠加后平均，再进行对数压缩，灰度映射，则可以得到高分辨率图像，分辨率的提高是因为不同的采集数据互补信息，抵消了部分噪声的影响，提高了信噪比和对比度，获得了传统的合成孔径成像方法无法达到的高分辨率。
由于在微旋转采集过程中可使超声环阵探头有效覆盖成像区域，因此，这种成像方式，不仅可以提高图像的分辨率，而且可以抑制阵元之间的间隙带来的伪信号。理论上来说，只要每次微旋转的角度足够小，分辨率就可以提高很非常大，但受衍射极限、噪声，计算误差等影响，实际分辨率提高幅度有限。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于超声CT的合成孔径成像方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、利用超声CT环阵探头采集超声反射接收的数据，获取原始回波数据；采集中采用单发全接的方式，发射阵元按顺序依次发射信号，全部的阵元接收信号；
S2、对所述原始回波数据进行合成孔径聚焦，获取各成像点的值；
S3、旋转超声CT的环阵探头，重复步骤S1-S2，得到多组成像点的值；其中每次旋转的角度小于相邻两个阵元到环阵探头圆心之间的夹角；
S4、对所有成像点的值进行加权平均，再依次进行包络检测、对数压缩和灰度映射处理，得到最终的高分辨率图像。
2.如权利要求1所述的基于超声CT的合成孔径成像方法，其特征在于，所述步骤S1中，对所述超声反射接收的数据进行预处理以提高图像重建的速度，所述预处理的方式为：截掉远离发射阵元的数据，保留发射阵元左右各45度接收阵元的回波数据，获取所述原始回波数据。
3.一种基于超声CT的合成孔径成像系统，其特征在于，所述系统包括：
第一模块，用于利用超声CT环阵探头采集超声反射接收的数据，获取原始回波数据；采集中采用单发全接的方式，发射阵元按顺序依次发射信号，全部的阵元接收信号；
第二模块，用于对所述原始回波数据进行合成孔径聚焦，获取各成像点的值；
第三模块，用于旋转超声CT的环阵探头，得到多组成像点的值；其中每次旋转的角度小于相邻两个阵元到环阵探头圆心之间的夹角；
第四模块，用于对所有成像点的值进行加权平均，再依次进行包络检测、对数压缩和灰度映射处理，得到最终的高分辨率图像。
4.如权利要求3所述的基于超声CT的合成孔径成像系统，其特征在于，所述第一模块还包括预处理模块，所述预处理模块用于对所述超声反射接收的数据进行预处理以提高图像重建的速度，所述预处理的方式为：截掉远离发射阵元的数据，保留发射阵元左右各45度接收阵元的回波数据，获取所述原始回波数据。
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