CN110441398B - 一种基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法 - Google Patents

一种基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法，用于对多层介质进行成像，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，以预定的采样频率依次发射超声波信号并获取采集信号；步骤S2，设定多个初始基底；步骤S3，对采集信号进行压缩感知，获取零延时回波基底；步骤S4，根据零延时回波基底和采样频率，获取各个接收通道之间的通道延时；步骤S5，根据通道延时对采集信号进行零延时处理，获取零延时采集信号；步骤S6，对零延时采集信号进行压缩感知，获取第一和第二回波基底；步骤S7，根据第一和第二回波基底和采样频率，获取中间层的上下表面的回波延时；步骤S8，建立多层介质的声速模型；步骤S9，根据声速模型对多层介质进行图像重建。

Description

一种基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法
技术领域
本发明属于超声技术领域，具体涉及一种基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法。
背景技术
近年来，由于超声技术的许多优点，超声检测多层介质的相关研究与应用受到广泛关注，例如基于轴向传播的超声导波技术可提供多层材料的特性和材料内部结构等信息，目前用于长骨皮质骨评价及骨质疏松诊断(可参考文献：他得安等.超声轴向传播技术评价长骨的研究[J].应用声学，2009，28(3):161-165.)。
然而由于多层材料间显著的声速差异，采用固定声速的超声成像方法无法实现层状材料的超声成像。近年来，虽然有学者探究变声速情况下多层材料超声成像的可行性，例如结合声速模型对皮质骨进行了图像重建(可参考文献：Li.H et al.Ultrasound imagingoflong bone fractures and healing with the split-step fourier imaging method[J].Ultrasound Med Biol,2013,39(8):1482-1490.)，或者采用射线追踪(Ray-tracing)法寻找皮质骨最佳成像结果(可参考文献：Renaud G et al.In vivo ultrasound imagingofthe bone cortex[J].Phys Med Biol,2018,63(12):125010.)，但是由于传统波束形成中声速固定的局限，对多层介质进行图像重建所获取的图片准确性较低，分辨率也无法满足使用需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法，用于对多层介质进行成像，其特征在于，包括如下步骤：
1.一种基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法，用于对多层介质进行成像，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，采用发射阵元总数为N的线性阵列，单个发射阵元以预定的采样频率向多层介质发射超声波信号，并通过全部N个接收阵元获取与发射阵元相对应的采集信号，N个发射阵元依次循环发射，然后进入步骤S2；
步骤S2，设定多个初始基底，然后进入步骤S3；
步骤S3，根据初始基底对采集信号进行压缩感知计算，获取与采集信号相对应的零延时回波基底，然后进入步骤S4；
步骤S4，根据零延时回波基底和采样频率，获取发射阵元所对应的接收通道之间的相对通道延时，然后进入步骤S5；
步骤S5，根据通道延时对相对应的采集信号进行零延时处理，获取零延时采集信号，然后进入步骤S6；
步骤S6，根据初始基底对零延时采集信号进行压缩感知计算，获取与零延时采集信号相对应的第一回波基底和第二回波基底，然后进入步骤S7；
步骤S7，根据第一回波基底、第二回波基底以及采样频率，获取与多层介质的中间层的上下表面相对应的两个回波信号之间的回波延时，然后进入步骤S8；
步骤S8，根据回波延时和多层介质中的声速，获取多层介质的各层厚度，从而建立声速模型，然后进入步骤S9；
步骤S9，将零延时采集信号输入声速模型，通过相位迁移法对多层介质进行图像重建。
本发明提供了一种基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法，还可以具有这样的特征，其中，步骤S3包括如下子步骤：
步骤S3-1，根据初始基底对采集信号进行计算，获取采集信号在每个初始基底中的权重值，然后进入步骤S3-2；
步骤S3-2，判断权重值是否大于预定的阈值，若判断为是，则保留对应的采集信号作为有效采集信号，然后进入步骤S3-3；
步骤S3-3，将所有有效采集信号进行组合，获取零延时回波基底。
本发明提供了一种基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法，还可以具有这样的特征，其中，初始基底为
Figure GDA0003381416420000031
采集信号在初始基底下的表示为
Figure GDA0003381416420000032
θ＝[θ1,θ2,…θM]为采集信号在初始基底上的权重值。
本发明提供了一种基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法，还可以具有这样的特征，其中，步骤S6包括如下子步骤：
步骤S6-1，根据初始基底对零延时采集信号进行计算，获取零延时采集信号在每个初始基底中的权重值，然后进入步骤S6-2；
步骤S6-2，判断权重值是否大于预定的阈值，若判断为是，则保留对应的零延时采集信号作为有效零延时采集信号，然后进入步骤S6-3；
步骤S6-3，将所有有效零延时采集信号进行组合，获取第一回波基底和第二回波基底。
本发明提供了一种基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法，还可以具有这样的特征，其中，步骤S1中，接收阵元的数量为N个，在接收采集信号时，每个接收阵元均为有效阵元，从而接收从多层介质的每一个介质层的上下表面反射回的超声波信号作为采集信号，形成N次发射接收循环。
本发明提供了一种基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法，还可以具有这样的特征，其中，压缩感知所用的初始基底的间隔为采样频率所对应的采样周期。
发明作用与效果
根据本发明的基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法，由于对采集信号进行压缩感知计算获取N个对应的接收通道延时，再将对应的采集信号进行零延时处理，获取多层介质的声速模型，从而对多层介质进行图像重建，因此，本发明的基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法能够通过压缩感知的方法准确地估计延时参数，从而建立正确的声速模型，突破了传统波束形成中声速固定的局限，实现了多层介质的图像重建，有效地减少了图像的相对误差。进一步地，由于采用合成孔径的超声波发射-接收方式，利用其发射-接收具有动态聚焦的特点，有效地提高了图像重建的分辨率，且能够保持不同探测深度分辨率的一致性。
附图说明
图1是本发明实施例的多层介质模型的结构示意图；
图2是本发明实施例的合成孔径超声发射接收模式的示意图；
图3是本发明实施例的基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法的流程框图；
图4是本发明实施例的压缩感知基底的示意图，图4(a)是发射脉冲，图4(b)是延时发射脉冲组成的压缩感知基底；
图5是本发明实施例的仿真结果的示意图，图5(a)是原始接收信号，图5(b)是压缩感知调整得到的零延时信号，图5(c)是采用固定声速的重建结果，图5(d)是采用声速模型的重建结果；
图6是本发明实施例的实验结果的示意图，图6(a)是原始接收信号，图6(b)是压缩感知调整得到的零延时信号，图6(c)是采用固定声速的重建结果，图6(d)是采用声速模型的重建结果。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合附图对本发明的基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法作具体阐述。
图1是本发明实施例的多层介质模型的结构示意图。
在本实施例中，首先通过时域有限差分法(Finite-difference time-domain，FDTD)进行仿真，根据仿真结果判断本实施例的基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法是具有合理性的，然后再进行离体实验。
仿真实验的声速模型为软组织-皮质骨-骨髓三层介质模型，FDTD仿真相关参数设置如下：各个介质层(如图1所示由上至下)的厚度分别为3mm、4mm以及3mm，各个介质层所对应的声速为1540m/s，2900m/s以及1540m/s。
离体实验采用3％琼脂制备软组织仿体并包裹离体牛胫骨骨板，骨板厚3.4mm，软组织声速为1540m/s，骨板声速为2900m/s。
图2是本发明实施例的合成孔径超声发射接收模式的示意图。
如图2所示，本实施例中超声波的发信元为线性超声换能器阵列，由128个发射阵元和接收阵元组成，每个发射阵元和接收阵元之间的间距均为0.3mm，发射脉冲为高斯包络正弦波，中心频率f0＝6.25MHz，采样频率fs＝25MHz。
合成孔径技术最早应用于雷达系统，20世纪70年代起应用于超声成像。合成孔径超声作为一种新颖的医学超声成像方法，采用动态聚焦，提升整体探测区域的分辨率及对比度，已广泛用于血管内成像(可参考文献：M.Yu et al.IntravascularUltrasoundImaging With Virtual Source Synthetic Aperture Focusing and Coherence FactorWeighting[J].IEEE Trans Med Imaging,2017,36(10):2171-2178.)，肝脏病变成像(可参考文献：Brandt AH et al.Clinical evaluation of synthetic aperture harmonicimaging for scanning focal malignant liver lesions[J].UltrasoundMed Biol,2015,41(9):2368-75.)等软组织检测。声速模型及相位迁移法常用于地球物理学与无损检测领域的多层介质超声成像，可采用声速模型和相位迁移法解决层状材料间显著声速差异问题。本实施例通过合成孔径超声成像的方法，利用其发射-接收动态聚焦的特点，旨在提高重建图像的分辨率并保持不同探测深度分辨率的一致性。
图3是本发明实施例的基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法的流程框图。
如图3所示，本实施例的基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法，用于对上述多层介质进行成像，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，采用阵元总数为N的线性阵列，单个发射阵元以预定的采样频率向依次向多层介质发射超声波信号，并通过全部N个接收阵元获取N个与发射阵元相对应的采集信号，N个阵元依次循环发射，然后进入步骤S2。
在本实施例中，发射阵元和接收阵元均为128个。
在发射超声波时，每个发射阵元依次作为有效发射阵元，超声波能够发射至多层介质的每一个介质层的上下表面并反射形成回波信号。
在接收采集信号时，每个接收阵元均为有效接收阵元，从而接收从多层介质的每一个介质层的上下表面反射的回波信号作为采集信号，形成N次发射接收循环。
步骤S2，设定多个初始基底，然后进入步骤S3。
图4是本发明实施例的压缩感知基底的示意图。
如图4所示，在本实施例中，初始基底为
Figure GDA0003381416420000081
采集信号在初始基底下的表示为
Figure GDA0003381416420000082
θ＝[θ1,θ2,…θM]为采集信号在初始基底上的权重值。压缩感知所用初始基底的时间间隔t为采样频率fs对应的采样周期T＝1/f，采样频率fs＝25MHz。
步骤S3，根据初始基底对采集信号进行压缩感知计算，获取与采集信号相对应的零延时回波基底，包括如下子步骤：
步骤S3-1，根据初始基底对采集信号进行计算，获取采集信号在每个初始基底中的权重值，然后进入步骤S3-2；
步骤S3-2，判断权重值是否大于预定的阈值，若判断为是，则保留对应的采集信号作为有效采集信号，然后进入步骤S3-3；
步骤S3-3，将所有有效采集信号进行组合，获取零延时回波基底。
步骤S4，根据零延时回波基底和采样频率，获取发射阵元所对应的接收通道之间的相对通道延时，然后进入步骤S5。
在本实施例中，相邻接收通道对应的零延时回波基底之间(例如n1，n2)的时间间隔为(n2-n1)*T。
步骤S5，根据通道延时对相对应的采集信号进行零延时处理，获取零延时采集信号，然后进入步骤S6。
步骤S6，根据初始基底对零延时采集信号进行压缩感知计算，获取与零延时采集信号相对应的第一回波基底和第二回波基底，包括如下子步骤：
步骤S6-1，根据初始基底对零延时采集信号进行计算，获取零延时采集信号在每个初始基底中的权重值，然后进入步骤S6-2；
步骤S6-2，判断权重值是否大于预定的阈值，若判断为是，则保留对应的零延时采集信号作为有效零延时采集信号，然后进入步骤S6-3；
步骤S6-3，将所有有效零延时采集信号进行组合，获取第一回波基底和第二回波基底。
步骤S7，根据第一回波基底、第二回波基底以及采样频率，获取与多层介质的中间层的上下表面相对应的两个回波信号之间的回波延时，然后进入步骤S8。
步骤S8，根据回波延时和多层介质中的声速，获取多层介质的各层厚度，从而建立声速模型，然后进入步骤S9。
步骤S9，将零延时采集信号输入声速模型，通过相位迁移法对多层介质进行图像重建。
图5是本发明实施例的仿真结果的示意图，图5(a)是原始接收信号，图5(b)是压缩感知调整得到的零延时信号，图5(c)是采用固定声速的重建结果，图5(d)是采用声速模型的重建结果。
如图5所示，本实施例中通过软件模拟仿真对采用固定声速的成像方法以及采用本实施例中的基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法的成像结果进行对比，具体如下：
图5(a)展示了第一次发射时前30个接收通道的初始采集信号，从图5(a)中可以看出，各个接收通道在接收初始采集信号时存在延时，该延时是由于反射回波到达各个接收阵元的路径不同造成的。
图5(b)展示了压缩感知调整得到的零延时采集信号，从图5(b)中可以看出，初始采集信号在进行零延时处理后，第一回波延时调整一致。
图5(c)是采用固定声速的重建结果，图5(d)是采用本实施例的声速模型的重建结果。从图5(c)和图5(d)的对比结果可以看出，图5(c)的重建图像中皮质骨形态发生畸变，其厚度不准确，而图5(d)的重建图像中皮质骨形态正常，估计厚度为4.09mm，与本实施例的多层介质中皮质骨厚度的相对误差仅为2.25％。
图6是本发明实施例的实验结果的示意图，图6(a)是原始接收信号，图6(b)是压缩感知调整得到的零延时信号，图6(c)是采用固定声速的重建结果，图6(d)是采用声速模型的重建结果。
如图6所示，本实施例中通过离体实验对采用固定声速的成像方法以及采用本实施例中的基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法的成像结果进行对比，实验过程中存在噪声干扰，具体如下：
图6(a)展示了第一次发射时前30个接收通道的初始采集信号，从图6(a)中可以看出，各个接收通道在接收初始采集信号时存在延时，该延时是由于反射回波到达各个接收阵元的路径不同造成的。
图6(b)展示了压缩感知调整得到的零延时采集信号，从图6(b)中可以看出，初始采集信号在进行零延时处理后，第一回波延时调整一致。
图6(c)是采用固定声速的重建结果，图6(d)是采用本实施例的声速模型的重建结果。从图6(c)和图6(d)的对比结果可以看出，图6(c)的重建图像中皮质骨形态发生畸变，其厚度不准确，而图6(d)的重建图像中皮质骨形态正常，估计厚度为3.52mm，与本实施例的多层介质中皮质骨厚度的相对误差仅为3.53％，图像伪影实际上是由实验中噪声干扰造成的。
综上，如图5和图6的仿真结果和实验结果所示，采用本实施例的基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法对多层介质进行成像，其成像结果与实际多层介质更加接近，相对误差较小。
实施例作用与效果
根据本实施例的基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法，由于对采集信号进行压缩感知计算获取N个对应的接收通道延时，再将对应的采集信号进行零延时处理，获取多层介质的声速模型，从而对多层介质进行图像重建，因此，本实施例的基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法能够通过压缩感知的方法准确地估计延时参数，从而建立正确的声速模型，突破了传统波束形成中声速固定的局限，实现了多层介质的图像重建，有效地减少了图像的相对误差。进一步地，由于采用合成孔径超声的发射-接收方式，利用其发射-接收具有动态聚焦的特点，有效地提高了图像重建的分辨率，且能够保持不同探测深度分辨率的一致性。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法，用于对多层介质进行成像，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，采用发射阵元总数为N的线性阵列，每个所述发射阵元均以预定的采样频率向所述多层介质发射超声波信号，并通过全部N个接收阵元获取与所述发射阵元相对应的采集信号，N个所述发射阵元依次循环发射，然后进入步骤S2；
步骤S2，设定多个初始基底，然后进入步骤S3；
步骤S3，根据所述初始基底对所述采集信号进行压缩感知计算，获取与所述采集信号相对应的零延时回波基底，然后进入步骤S4；
步骤S4，根据所述零延时回波基底和所述采样频率，获取所述发射阵元所对应的接收通道之间的相对通道延时，然后进入步骤S5；
步骤S5，根据所述相对通道延时对相对应的所述采集信号进行零延时处理，获取零延时采集信号，然后进入步骤S6；
步骤S6，根据所述初始基底对所述零延时采集信号进行压缩感知计算，获取与所述零延时采集信号相对应的第一回波基底和第二回波基底，然后进入步骤S7；
步骤S7，根据所述第一回波基底、所述第二回波基底以及所述采样频率，获取与所述多层介质的中间层的上下表面相对应的两个回波信号之间的回波延时，然后进入步骤S8；
步骤S8，根据所述回波延时和所述多层介质中的声速，获取所述多层介质的各层厚度，从而建立声速模型，然后进入步骤S9；
步骤S9，将所述零延时采集信号输入所述声速模型，通过相位迁移法(Phase shiftmigration，PSM)对所述多层介质进行图像重建。
2.根据权利要求1所述的基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法，其特征在于：
其中，步骤S3包括如下子步骤：
步骤S3-1，根据所述初始基底对所述采集信号进行计算，获取所述采集信号在每个所述初始基底中的权重值，然后进入步骤S3-2；
步骤S3-2，判断所述权重值是否大于预定的阈值，若判断为是，则保留对应的所述采集信号作为有效采集信号，然后进入步骤S3-3；
步骤S3-3，将所有有效采集信号进行组合，获取所述零延时回波基底。
3.根据权利要求1所述的基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法，其特征在于：
其中，所述初始基底为
Figure FDA0003381416410000021
所述采集信号在所述初始基底下的表示为
Figure FDA0003381416410000022
θ＝[θ1,θ2,…θM]为所述采集信号在所述初始基底上的权重值。
4.根据权利要求1所述的基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法，其特征在于：
其中，步骤S6包括如下子步骤：
步骤S6-1，根据所述初始基底对所述零延时采集信号进行计算，获取所述零延时采集信号在每个所述初始基底中的权重值，然后进入步骤S6-2；
步骤S6-2，判断所述权重值是否大于预定的阈值，若判断为是，则保留对应的所述零延时采集信号作为有效零延时采集信号，然后进入步骤S6-3；
步骤S6-3，将所有有效零延时采集信号进行组合，获取所述第一回波基底和所述第二回波基底。
5.根据权利要求1所述的基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法，其特征在于：
其中，步骤S1中，所述接收阵元的数量为N个，
在接收所述采集信号时，每个所述接收阵元均为有效阵元，从而接收从所述多层介质的每一个介质层的上下表面反射回的所述超声波信号作为所述采集信号，形成N次发射接收循环。
6.根据权利要求1所述的基于多层介质声速模型的合成孔径超声成像方法，其特征在于：
其中，压缩感知所用的初始基底的间隔为所述采样频率所对应的采样周期。
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