CN112690827A - 超声内窥镜合成孔径成像方法、介质、成像系统 - Google Patents

超声内窥镜合成孔径成像方法、介质、成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超声内窥镜合成孔径成像方法，包括如下步骤：通过超声探头采集二维超声回波数据；对二维超声回波数据进行轴向脉冲压缩以得到压缩后的二维超声回波数据；去除所述压缩后的二维超声回波数据中横向与纵向的二维信号耦合以得到距离徙动校正后的时域信号；通过声束角模板对不同位置处的时域信号进行不同幅度的加权处理，随后对加权后的信号进行合成孔径处理，以得到用以成像的二维超声数据；最后对处理后的二维超声数据进行包络提取，对数压缩，灰度映射以及极坐标转换处理，以得到超声图像。本发明还涉及一种介质及成像系统。本发明通过设置声束角模板，对不同距离的信号进行不同幅度的加权处理方法，从而降低超声波传播和及坐标变换对成像质量的影响。

Description

超声内窥镜合成孔径成像方法、介质、成像系统
技术领域
本发明涉及超声内窥镜成像技术领域，尤其涉及超声内窥镜合成孔径成像方法、介质、成像系统。
背景技术
超声内窥镜利用安装在内窥导管前端的超声探头扫描获取人体内脏器官壁的回波信号，将回波信号进行超声成像处理后获得断层图像，在早期癌变和微小肿瘤检测、内脏器官病变诊断等方面有着极其重要的作用。提高内窥超声成像质量，对于提高检测和诊断的准确性意义重大。
目前提高内窥超声成像质量的方法主要有两种：一种是基于超声内窥系统的硬件设计，对旋转电机以及信号收发电路设备的优化，以提高其抗干扰能力从而提高信噪比。这些方法改进了成像系统的整体性能、优化程度高，但受限于超声探头和功率放大器等硬件设备，兼容性较差；另一种是基于图像处理算法，对成像结果进行优化，从而提高图像质量。这些方法简单易行，优化效率高，但受限于原始图像的质量，优化程度较低。
而从信号处理方面的算法则可以从信号方面对成像数据进行优化，在硬件系统确定的情况下通过数学物理方法增加有效信息提取，也给后续图像处理方法提供更高质量的原始图像。因此，可以基于信号处理优化内窥超声的成像质量，例如发明专利(申请号：CN201110127406.2)《小孔径高分辨相控阵超声探测成像方法》就展示了一种通过处理内窥超声回波信号以提高成像质量的方法。而发明专利(CN201010101410.7)《超声内窥镜合成孔径成像系统及较大孔径的合成方法》则证实了结合合成孔径技术可以有效提高内窥超声的信噪比从而提高成像质量，但由于声束角的影响，超声波在传播过程中，声束宽度随传播距离的增大而增大，合成孔径技术的应用和极坐标转换过程导致越远场的弧形弥散斑越长，导致其成像分辨率提高受限甚至降低。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的第一个目的是提供一种超声内窥镜的合成孔径成像方法，包括如下步骤：
获取轴向脉冲压缩后的二维回波数据；
去除所述二维超声回波数据中横向与纵向的二维信号耦合以得到距离徙动校正后的时域信号；
利用声束角模板对时域信号进行加权处理并对加权后的时域信号进行合成孔径处理以得到处理后的二维超声数据，其中，对不同距离的时域信号进行不同幅度的加权处理；
对所述处理后的二维超声数据进行图像化，以得到内窥超声图像。
优选地，还包括步骤：
对所述压缩后的二维超声回波数据进行快速傅里叶变换得到频域回波信号，其乘以徙动校正相位后进行快速傅里叶逆变换以得到距离徙动校正后的时域信号。
优选地，还包括步骤：
根据声束角模板在极坐标系中设置不同的加权区域；
将所述设置不同加权区域的极坐标系转换为笛卡尔坐标系，所述笛卡尔坐标系中的不同区域分别对应不同的加权方法；
根据所述不同的加权方法获取笛卡尔坐标系中不同区域的加权值；
根据所述笛卡尔坐标系中的不同加权区域，通过幅度变迹函数或分段动态变迹技术利用加权值对距离徙动校正后的时域信号进行加权；
对加权后的时域信号进行合成孔径处理，以得到处理后的二维超声数据。
优选地，还包括步骤：
获取超声探头的参数信息、成像信息，所述参数信息包括该探头的声束角、探头中心频率中的至少一种，所述成像信息包括感兴趣成像范围、成像目标中的至少一种；
根据所述超声探头的参数信息、成像信息预先设置好不同加权区域对应的加权值。
优选地，还包括步骤：
获取距离徙动校正后的时域信号；
根据所述时域信号匹配相应的算法进行自适应处理，以得到不同加权区域对应的加权值。
本发明还提供一种介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行如上所述的超声内窥镜的合成孔径成像方法。
本发明还提供一种成像系统，包括存储器；以及耦接至所述存储器的处理器，所述处理器被配置为基于存储在所述存储器中的指令，执行如上所述的超声内窥镜的合成孔径成像方法。
优选地，还包括：
探测模块，用于发射超声信号以及接收经目标仿体脉冲响应后的响应信号；所述探测模块在人体内进行旋转扫描；
信号处理模块，以用于对探测到的超声信号进行信号处理；
显示模块，以用于成像显示；
所述探测模块、信号处理模块及显示模块与所述存储器通信连接，所述探测模块在旋转模式下切换收发模式以探测不同角度下的超声回波信号，所述超声回波信号经信号处理模块调用不同加权值对信号处理后输入显示模块进行显示。
优选地，还包括存储模块，所述存储模块预存有笛卡尔坐标系中不同区域与加权值对应关系数据库，以在笛卡尔坐标系中对不同区域的信号调用对应的加权值进行加权处理。
优选地，还包括分析模块，所述分析模块根据获取的信号匹配相应的算法进行自适应处理，以实时获取与该信号相关的加权值对该信号进行加权处理。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明公开了一种超声内窥镜合成孔径成像方法，基于声束角模板的超声内窥合成孔径方法利用合成孔径的优势和极坐标变换的特点进行联合优化成像，提高成像的图像信噪比的同时提高成像分辨率；同时本发明仅在信号处理方面进行了改进，无需改变或升级原有的系统，适应于各种不同结构的超声内窥系统，具有操作简单，普适性强的特点。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的一种超声内窥镜合成孔径成像方法的流程图；
图2为本发明的利用声束角模板进行加权处理方法的流程图；
图3为本发明声束角模板整体示意图；
图4为本发明声束角模板中超声信号在不同加权区域的长度设置示意图；
图5为本发明的一种获取加权值方法的流程图；
图6为本发明的另一种获取加权值方法的流程图；
图7为本发明成像系统的结构示意图；
图8为本发明钨丝靶线仿体实验中传统方法成像的实验结果图；
图9为本发明钨丝靶线仿体实验中本发明方法成像的实验结果图；
图10为本发明钨丝靶线仿体实验中靶线目标波形对比图；
图11为本发明离体猪胃组织仿体实验中传统方法成像的实验结果图；
图12为本发明离体猪胃组织仿体本发明方法中传统方法成像的实验结果图。
附图标记：
1、电脑；2、示波器；3、声学信号处理设备；4、电机电源；5、旋转电机；6、内窥超声换能器；7、水槽；8、被测目标。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
实施例一
根据超声信号的传播原理，当超声波在人体组织内传播时，其发散程度由其半功率波束角决定β0.5＝0.84λ/D，λ/D＜＜1(1)
式中λ为波长，D为换能器的发射孔径。根据上式可知提高发射孔径可以有效降低超声波的发散程度进而提高成像分辨率，但在远场区域，声束宽度会随传播距离的而增大，从而导致成像分辨率下降。同时，在将图像进行极坐标转换时，越远离中心点的地方空间分辨率越低。
基于以上原理，本发明提出了在超声内窥合成孔径处理时，设置声束角模板，对不同距离的信号进行不同幅度的加权处理方法，从而降低超声波传播和及坐标变换对成像质量的影响。为了尽可能减小或避免声束角对最终成像质量的影响，本发明提供一种超声内窥镜合成孔径成像方法，包括如下步骤，如图1所示：
S101：获取轴向脉冲压缩后的二维回波数据；该压缩信号具体可通过如下步骤执行：
步骤111：通过超声探头采集二维超声回波数据；通过超声探头采集二维超声回波数据r(τ，η)，τ为轴向距离上的时间，η为旋转角度方位时间；
在一些实施例中，根据实际获取的二维超声回波数据选择是否对该二维超声回波数据进行预处理，该预处理包括去噪。
步骤112：根据发射信号的类型利用匹配滤波方法对二维超声回波数据进行轴向脉冲压缩以得到压缩后的二维超声回波数据；根据发射信号s(τ)的类型利用匹配滤波方法对二维超声回波数据r(τ，η)进行轴向脉冲压缩以得到数据e1(τ，η)，e1(τ，η)＝r(τ，η)*sD(τ)，其中，sD(τ)是针对不同发射信号的匹配滤波器的脉冲响应；
在一些实施例中，当s(τ)*sD(τ)＝δ(τ)时，可达到最佳压缩效果。
S102：去除所述压缩后的二维超声回波数据中横向与纵向的二维信号耦合以得到距离徙动校正后的时域信号；去除e1(τ，η)横向与纵向的二维信号耦合以得到距离徙动校正后的时域信号e2(τ，η)；
在一些实施例中，对所述压缩后的二维超声回波数据进行快速傅里叶变换得到频域回波信号，其乘以徙动校正相位后进行快速傅里叶逆变换以得到距离徙动校正后的时域信号；具体地，对e1(τ，η)进行快速傅里叶变换得到频域回波信号E1(fτ，fη)，其乘以徙动校正相位H(fτ，fη)后进行快速傅里叶逆变换以得到距离徙动校正后的时域信号e2(τ，η)；其中H(fτ，fη)＝exp(-j2πfω2Rfτf2 η/λ)，式中：f为超声探头中心频率，ω为内窥探头旋转角速度，R为目标点瞬时距离，λ为超声波波长。
S103：利用声束角模板对时域信号进行加权处理并对加权后的时域信号进行合成孔径处理以得到处理后的二维超声数据，其中，对不同距离的时域信号进行不同幅度的加权处理；通过声束角模板对不同位置处的时域信号e2(τ，η)进行不同幅度的加权处理并对声束角模板加权后的时域信号进行合成孔径处理以得到二维超声数据e3(τ，η)；
在一些实施例中，具体还包括如下步骤，如图2所示：
S201：根据声束角模板在极坐标系中设置不同的加权区域；由于采集到的图像为极坐标图像，因此，根据获取的极坐标图像根据不同区域与中心点的位置设置不同的加权区域；该声束角模板根据超声换能器的实际特性设置。
首先设置换能器合成孔径大小D1，在一些实施例中，可设置换能器合成孔径的孔径值为D1＝β0.5·R＝0.84λR/D；R为点目标到探头移动轨迹的垂直距离；计算近场盲区距离r＝(D2-λ2)/4λ；本实例中声束角模板的具体参数如下：
tanα＝x/r (2)
sinθ＝x/y (3)
α＝(2π/M)×N/2 (4)
θ＝(2π/M)×n (5)
y＝x/sinθ＝r tanα/sinθ (6)
结合图3-4，式中，x为对应近场盲区距离的宽度，θ为回波信号对应合成信号的相对偏移角，α为单次合成孔径的声束线所占的角度的一半，y为声束线在该次合成孔径中有效信号的长度，其中θ为0时取整条声束线为有效信号，M是指旋转一圈采集的信号数，N是指单次合成孔径所使用的信号数，n是在该次合成孔径中的第n条信号。
通过如上的声束角模板在极坐标系中设置不同的加权区域，如图3-4所示，在不同区域设置不同幅度的加权值。
S202：将所述设置不同加权区域的极坐标系转换为笛卡尔坐标系，笛卡尔坐标系中的不同区域分别对应不同的加权方法；
S203：根据不同的加权方法获取笛卡尔坐标系中不同区域的加权值；
S204：根据所述笛卡尔坐标系中的不同加权区域，通过幅度变迹函数或分段动态变迹技术利用加权值对距离徙动校正后的时域信号进行加权；根据所述笛卡尔坐标系中的不同加权区域调用不同加权值以对距离徙动校正后的时域信号e2(τ，η)进行加权；
S205：对加权后的时域信号进行合成孔径处理，以得到处理后的二维超声数据。具体地，通过幅度变迹函数或分段动态变迹技术对加权后的时域信号进行加权处理，随后对加权后的信号进行合成孔径处理，以获取用以最终成像的二维超声数据e3(τ，η)。
S104：最后对所述处理后的二维超声数据进行图像化，以得到内窥超声图像；具体地，最后对e3(τ，η)进行包络提取，对数压缩，灰度映射以及极坐标转换处理，以得到内窥超声图像。
应当理解，本发明提供的用于超声内窥镜合成孔径成像方法是基于本发明的实验基础执行的。
包络提取检出信号的上包络，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提取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。
在执行S203步骤中获取笛卡尔坐标系中不同区域的加权值时，还包括步骤，如图5所示：
S301：获取超声探头的参数信息、成像信息，该参数信息包括该探头的声束角、探头中心频率中的至少一种，所述成像信息包括感兴趣成像范围、成像目标中的至少一种；
S302：根据超声探头的参数信息、成像信息预先设置好不同加权区域对应的加权值。根据S301中超声探头的参数信息、成像信息预先通过算法、公式等得出不同区域的加权值预先存储在系统中，以便在执行该方法时直接调用，方便快捷。
除了提前设置，在一些实施例中，可在实际执行时实时获取，具体步骤如图6所示：
S401：获取距离徙动校正后的时域信号e2(τ，η)；
S402：根据所述时域信号e2(τ，η)匹配相应的算法进行自适应处理，以得到不同加权区域对应的加权值。相较于预先存储，实际获取的加权值准确性高，可提升图像处理的精准性；该算法可为函数代入法，生成法等。
一种介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行如上的方法。
实施例二
一种成像系统，包括存储器；以及耦接至所述存储器的处理器，该处理器被配置为基于存储在所述存储器中的指令，执行实施例一中的超声内窥镜的合成孔径成像方法。
在一些实施例中，该成像系统还包括：
探测模块，用于发射超声信号以及接收经目标仿体脉冲响应后的响应信号；所述探测模块在人体内进行旋转扫描；
信号处理模块，以用于对探测到的超声信号进行信号处理；
显示模块，以用于成像显示；
探测模块、信号处理模块及显示模块与存储器通信连接，探测模块在旋转模式下切换收发模式以探测不同角度下的超声回波信号，超声回波信号经信号处理模块处理后输入显示模块进行显示。
在一些实施例中，还包括激励模块，该激励模块产生激励信号激励发射模式下的探测模块，以使得激励信号作用于目标物。
在一些实施例中，还包括编码激励模块，该编码激励模块通过编码激励技术对所述探测模块进行驱动，以提高发射功率，增强回波能量。
在一些实施例中，还包括存储模块，该存储模块预存有笛卡尔坐标系中不同区域与加权值对应关系数据库，以在笛卡尔坐标系中对不同区域的信号调用对应的加权值进行加权处理。
在一些实施例中，还包括分析模块，该分析模块根据获取的信号匹配相应的算法进行自适应处理，以实时获取与该信号相关的加权值对该信号进行加权处理。
如图7所示，该成像系统基于Matlab在计算机上设计合适的探头激励信号和轴向脉冲压缩滤波器，使用声学信号处理设备(Vantage 64 LE HF Verasonics,America)产生激励信号激励发射模式下的内窥超声换能器(中心频率12MHZ)，随后激励信号作用于目标仿体，超声内窥换能器在接收模式下接收经目标仿体脉冲响应后的响应信号。换能器在旋转电机(RE22，Maxon Motor AG,Switzerland)的带动下切换收发模式探测每个角度的信号，将探测到的超声信号经放大和滤波后转入数字示波器(数字荧光示波DP05034,Tek.Inc.)显示采集到的信号，之后保存到计算机中进行信号处理以及成像显示。
为了对比本发明与传统方式的成像效果，发明人设计了两种仿体：一是间距1mm的钨丝靶线，用于验证该方法在成像分辨率方面的提高；二是离体的猪胃组织，用于比较超声图像的信噪比、成像对比度等参数，从而评价不同成像方法的成像质量。
实验采用中心频率为12MHz，带宽51％的高频内窥超声换能器，在旋转电机的带动下以1800rpm的速度进行旋转扫描，A/D采样频率以50MSPS进行数据传输。首先进行的是钨丝靶线分辨率成像测试，该测试实验采用传统的单脉冲正弦波为激励信号，测试时，将超声内窥探头置于10cm×10cm的水槽中，钨丝靶线放置在距离探头1cm的位置，具体结果如下图8-9所示。可以看到传统方法在成像分辨率实验中，无法有效地区分两条钨丝靶线，而利用本发明的方法则可以明显地区分相距1mm地钨丝靶线。
随后，将钨丝靶线换成离体猪胃组织，实验选用猪胃的幽门窦区组织，其平均内径为22mm，平均外径为39mm，平均厚度为8.5mm，声阻抗系数约为0.152MRal。为了有效地提高成像景深，本实例采用发射长脉冲Chirp信号增加信号穿透深度，具体实验结果如下图10-11所示，实验结果表明相较于传统方法，本发明的方法显著地提高了超声内窥成像质量。
以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声内窥镜的合成孔径成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取轴向脉冲压缩后的二维回波数据；
去除所述二维超声回波数据中横向与纵向的二维信号耦合以得到距离徙动校正后的时域信号；
利用声束角模板对时域信号进行加权处理并对加权后的时域信号进行合成孔径处理以得到处理后的二维超声数据，其中，对不同距离的时域信号进行不同幅度的加权处理；
对所述处理后的二维超声数据进行图像化，以得到内窥超声图像。
2.如权利要求1所述的超声内窥镜的合成孔径成像方法，其特征在于，还包括步骤：
对所述压缩后的二维超声回波数据进行快速傅里叶变换得到频域回波信号，其乘以徙动校正相位后进行快速傅里叶逆变换以得到距离徙动校正后的时域信号。
3.如权利要求1所述的超声内窥镜的合成孔径成像方法，其特征在于，还包括步骤：
根据声束角模板在极坐标系中设置不同的加权区域；
将所述设置不同加权区域的极坐标系转换为笛卡尔坐标系，所述笛卡尔坐标系中的不同区域分别对应不同的加权方法；
根据所述不同的加权方法获取笛卡尔坐标系中不同区域的加权值；
根据所述笛卡尔坐标系中的不同加权区域，通过幅度变迹函数或分段动态变迹技术利用加权值对距离徙动校正后的时域信号进行加权；
对加权后的时域信号进行合成孔径处理，以得到处理后的二维超声数据。
4.如权利要求3所述的超声内窥镜的合成孔径成像方法，其特征在于，还包括步骤：
获取超声探头的参数信息、成像信息，所述参数信息包括该探头的声束角、探头中心频率中的至少一种，所述成像信息包括感兴趣成像范围、成像目标中的至少一种；
根据所述超声探头的参数信息、成像信息预先设置好不同加权区域对应的加权值。
5.如权利要求3所述的超声内窥镜的合成孔径成像方法，其特征在于，还包括步骤：
获取距离徙动校正后的时域信号；
根据所述时域信号匹配相应的算法进行自适应处理，以得到不同加权区域对应的加权值。
6.一种介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行如权利要求1至5任一项所述的超声内窥镜的合成孔径成像方法。
7.一种成像系统，包括存储器；以及耦接至所述存储器的处理器，所述处理器被配置为基于存储在所述存储器中的指令，执行如权利要求1-5中任一项所述的超声内窥镜的合成孔径成像方法。
8.如权利要求7所述的成像系统，其特征在于，还包括：
探测模块，用于发射超声信号以及接收经目标仿体脉冲响应后的响应信号；所述探测模块在人体内进行旋转扫描；
信号处理模块，以用于对探测到的超声信号进行信号处理；
显示模块，以用于成像显示；
所述探测模块、信号处理模块及显示模块与所述存储器通信连接，所述探测模块在旋转模式下切换收发模式以探测不同角度下的超声回波信号，所述超声回波信号经信号处理模块调用不同加权值对信号处理后输入显示模块进行显示。
9.如权利要求8所述的成像系统，其特征在于，还包括存储模块，所述存储模块预存有笛卡尔坐标系中不同区域与加权值对应关系数据库，以在笛卡尔坐标系中对不同区域的信号调用对应的加权值进行加权处理。
10.如权利要求8所述的成像系统，其特征在于，还包括分析模块，所述分析模块根据获取的信号匹配相应的算法进行自适应处理，以实时获取与该信号相关的加权值对该信号进行加权处理。
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