CN112890855A - 多波束p次根压缩相干滤波波束合成方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种多波束p次根压缩相干滤波波束合成方法及装置，所述方法包括：发射控制步骤：定点聚焦发射一次超声波；延时计算步骤：动态聚焦，多波束接收，延时计算得到多波束各通道的数据；相干因子计算步骤：依次计算每条波束的广义相干因子；第一次波束合成步骤：进行p次根号压缩波束合成运算得到第一次波束合成信号；带通滤波步骤：进行带通滤波；求积步骤：相干因子进行加权；重复步骤：重复发射控制步骤到求积步骤，得到一帧图像所需的多波束信号；第二次波束合成步骤：进行二次变迹，然后对多波束进行相干叠加得到第二次波束合成信号。本发明有效地提高了波束合成的质量，进而改善了图像的对比度分辨率、空间分辨率和帧率。
Description
技术领域
本发明涉及超声成像技术领域，尤其涉及一种多波束p次根压缩相干滤波波束合成方法及装置。
背景技术
超声成像因其具有安全、实时、便携、无创及成本低等优势，被广泛应用于临床医学诊断。
超声成像图像质量与对比度分辨率、空间分辨率，帧率等相关，传统的延时叠加(DelayAnd Sum,DAS)波束合成，其所形成的波束具有较高的旁瓣和较宽的主瓣；而传统的变迹技术虽然可以降低旁瓣，但是却增大了主瓣的宽度，降低了图像的空间分辨率。虽然传统的技术简单易于实现，但并没有有效的改善图像的质量。
加权因子通常是利用幅度的相干性或相位的相干性构造的系数，并与信号进行加权平均，从而达到抑制旁瓣，加强主瓣的目的，例如利用幅度信息构造的相干因子(Coherence Factor,CF)，广义相干因子(Generalized Coherence Factor,GCF)，采用相位构造的相位相干因子(Phase Coherence Factor,PCF)，利用信号符号信息构造的符号相干因子(Sign Coherence Factor,SCF)等，但是采用相干因子的方法通常会产生伪像。一般都会帧率，横向分辨率，空间对比度三者较难同时兼得，平面波具有较高的帧率，相干复合可以提高对比度和分辨率，但破穿透力不足；多波束接收虽具有足够的穿透力，但旁瓣同样未有效的得到抑制，因此需要一种方法能同时兼顾帧率，横向分辨率和空间对比度。
目前，现有的相关技术如下：
《一种超声图像增强方法、装置和计算机设备》，申请人：青岛海信医疗设备股份有限公司。该专利首先获取每个成像点的相干系数用于调整该成像点的波束合成数据的增益的系数，相干系数采用CF、GCF、SCF、GSCF、STF其中一种计算法方式，然后根据相干系数确定每个成像点的像素值的置信度，并根据置信度，对所述超声图像进行增强处理。该方法更多的是通过后端图像增强的方法来改善图像质量。
《一种空时平滑相干因子类自适应超声成像方式》，申请人：华中科技大学，该专利是根据波束合成过程的接收信号，计算空时平滑相干因子类相干因子值，利用该相关因子值接收信号进行相干和加权处理，其中相干因子包含空时平滑相干因子(StS_CF),以及空时平滑符号相干因子(StS_SCF)，而相干加权采用最小方差(minimum variance,MV)的方法。该方法采用MV技术，计算相对复杂，实现困难。
《一种基于改进DMAS算法的超声平面波成像方法》，申请人：东北大学，该专利采用平面波，并融合了延时乘累加波束合成算法与广义相干系数。该专利虽然解决了平面波空间复合成像图像质量与成像与帧频不能兼得的问题，但是平面波穿透力不足。
《一种基于相位相干信息的自适应变迹方法》，申请人：无锡祥生医学影像有限责任公司，该专利利用希尔伯特变换和cordic算法获得波束合成过程中各通道的相位信息，结合自适应的方式获得各通道的动态加权值，对旁瓣和栅瓣进行抑制。该专利采用希尔伯特变换和cordic运算处理各通道数据，获得相位信息，提高了波束合成的复杂度，运算较复杂。
《超声图像的相干滤波方法和装置》，申请人：通用电气公司，该专利是采用数据相关滤波来改善图像质量，根据接收信号的相干程度来区分活组织的种类，通过接收相干信号幅度的和与非相干的比值计算得到相干因子，并对相干因子进行空间滤波，减小斑点噪声的影响。该方法需要对硬件做改变。
《平面波相关点相干自适应波束合成成像方法》，申请人：西安交通大学，该方法联合平面波多角度复合成像、自适应波束合成、相关点影响下的最小方差无失真相应等技术，利用相关点和目标采样点的相对位置确定相干系数。同样具有穿透力不足，运算复杂度度高为问题。
《一种基于自适应加权的双聚焦波束合成方法》，申请书：重庆大学，该方法将幅度变迹技术、虚拟阵元技术、自适应加权方法引入到超声系统，结合动态聚焦技术，利用2次延时叠加实现自适应变加权双聚焦波束合成。
以上相关专利，均存在帧率、穿透力、横向分辨率和空间对比度不能兼得的问题。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种多波束p次根压缩相干滤波波束合成方法及装置，以改善图像的对比度分辨率、空间分辨率和帧率。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种多波束p次根压缩相干滤波波束合成方法，包括：
发射控制步骤：定点聚焦发射一次超声波；
延时计算步骤：进行动态聚焦并采用多波束接收，延时计算得到多波束各通道的数据
其中，1≤n≤N，N为通道数，τn为第n个阵元施加的延时，r/c为超声波从场点到传感器阵元坐标原点的传播时间，c是软组织平均声速，r为场点到传感器阵元的距离；
相干因子计算步骤：根据延时计算结果取得多波束的通道数据s(t)，依次计算每条波束的广义相干因子；
第一次波束合成步骤：对多波束的各个通道的数据sn(t)分别乘以汉宁窗变迹系数wn，然后进行p次根号压缩波束合成运算，得到各通道压缩和累加和结果yp_DAS(t)，再得到第一次波束合成信号yp_DAS；
带通滤波步骤：通过带通滤波器对yp_DAS信号进行带通滤波，得到yp_fDAS；
求积步骤：将yp_fDAS与相干因子进行加权得到yp_fDAS_GCF信号；
重复步骤：重复发射控制步骤到求积步骤，得到一帧图像所需的多波束信号；
第二次波束合成步骤：将yp_fDAS_GCF信号进行二次变迹，然后对多波束进行相干叠加得到第二次波束合成信号，输出第二次波束合成信号进行显示。
相应地，本发明实施例还提供了一种多波束p次根压缩相干滤波波束合成装置，包括：
发射控制模块：定点聚焦发射一次超声波；
延时计算模块：进行动态聚焦并采用多波束接收，延时计算得到多波束各通道的数据
其中，1≤n≤N，N为通道数，τn为第n个阵元施加的延时，r/c为超声波从场点到传感器阵元坐标原点的传播时间，c是软组织平均声速，r为场点到传感器阵元的距离；
相干因子计算模块：根据延时计算结果取得多波束的通道数据s(t)，依次计算每条波束的广义相干因子；
第一次波束合成模块：对多波束的各个通道的数据sn(t)分别乘以汉宁窗变迹系数wn，然后进行p次根号压缩波束合成运算，得到各通道压缩和累加和结果yp_DAS(t)，再得到第一次波束合成信号yp_DAS；
带通滤波模块：通过带通滤波器对yp_DAS信号进行带通滤波，得到yp_fDAS；
求积模块：将yp_fDAS与相干因子进行加权得到yp_fDAS_GCF信号；
重复模块：控制发射控制模块、延时计算模块、相干因子计算模块、第一次波束合成模块、带通滤波模块、求积模块重复工作，得到一帧图像所需的多波束信号；
第二次波束合成模块：将yp_fDAS_GCF信号进行二次变迹，然后对多波束进行相干叠加得到第二次波束合成信号，输出第二次波束合成信号进行显示。
本发明的有益效果为：本发明将p次根压缩、相干因子、多波束相结合，有效的提高了波束合成的质量，进而改善了图像的对比度分辨率、空间分辨率和帧率。
附图说明
图1是本发明实施例的多波束p次根压缩相干滤波波束合成方法的流程示意图。
图2是本发明实施例的p次根压缩波束合成框图。
图3是本发明实施例的二次波束合成原理图。
图4是传统波束合成仿真图。
图5是p次根压缩相干滤波波束合成仿真图。
图6是本发明实施例与传统波束合成局部仿真对比图。
图7是常规诊断超声系统框图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例中若有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中若涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
请参照图1，本发明实施例的多波束p次根压缩相干滤波波束合成方法包括发射控制步骤、延时计算步骤、相干因子计算步骤、第一次波束合成步骤、带通滤波步骤、求积步骤、重复步骤及第二次波束合成步骤。
本发明实施例是将各通道接收的信号进行P次根号压缩，再进行累加求和的过程。本文提出的多波束p次根压缩相干滤波波束合成，是指多波束接收波束合成过程中，第一次波束合成进行p次根号压缩非线性波束合成，并对其结果进行带通滤波，去除由非线性运算引起的噪声信号。
自适应加权成像技术能够根据回波信号本身的特征进行动态加权。本发明实施例将广义相干系数(General Coherence Factor,GCF)或者相干系数(Coherence Factor,CF)与p次根号压缩波束合成相结合，有效改善图像空间对比度，横向分辨率，同时多波束接收提高了帧率。
发射控制步骤：定点聚焦发射一次超声波。
延时计算步骤：进行动态聚焦并采用多波束接收，延时计算得到多波束各通道的数据
其中，1≤n≤N，N为通道数，τn为第n个阵元施加的延时，r/c为超声波从场点到传感器阵元坐标原点的传播时间，c是软组织平均声速；r为场点到传感器阵元的距离，单位为m。软组织平均声速c＝1540m/s。sn(t)为第n个阵元接收到的回波数据。本发明实施例的波束合成采用多波束接收(波束大于8)，提高了帧率。
相干因子计算步骤：根据延时计算结果取得多波束各通道总(所有通道)的通道数据s(t)，依次计算每条波束的广义相干因子(GCF)。
作为一种实施方式，计算公式下
其中S(k)为sn(t)的频域表达方式，S(k)＝FFT(sn(t))，k为频率，单位(Hz)，范围1<＝k<＝N，M0为低频成分调节参数，通过M0可以调节GCF的低频信号能量，可根据系统情况具体设置，一般设置M0≤3来保证较好的背景强度。
当取M0＝0时，取直流分量，GCF退化为CF，CF计算公式如下。
第一次波束合成步骤：对多波束的各个通道(单个通道)的数据sn(t)分别乘以汉宁窗变迹系数wn，然后进行p次根号压缩波束合成运算，得到各通道压缩和累加和结果yp_DAS(t)，再得到第一次波束合成信号yp_DAS。
作为一种实施方式，计算公式如下：
其中，sp(t)为各通道p次方根压缩后信号，sign(.)为符号函数，大于0为1，小于0为-1。
所以，
其中，p为对比度和分辨率调节参数，适当的增大p值，可以增加图像的分辨率和对比度，但过大会降低图像的均匀性，因此需要根据具体情况而定。
yp_DAS信号即为BF1(BeamForming1，第一次波束合成)信号，原理框图如图2所示。其中BF1多波束需要进行相位校正。
带通滤波步骤：通过带通滤波器对yp_DAS信号进行带通滤波，得到yp_fDAS。由于p次方根非线性运算会在发射频率中心附近引入其它谐波信号，因此进行带通滤波去除这些噪声信号。
本发明实施例的采样频率fs＝40MHz，中心频率为fc＝3.5MHz；带通滤波器截止频率上限为4.7MHz，下限为2.3MHz，滤波器阶数为64。
求积步骤：将yp_fDAS与相干因子进行加权得到yp_fDAS_GCF信号。本发明实施例通过p次根压缩非线性波束合成结合广义相干系数，有效的提高了图像的对比度分辨率，抑制了旁瓣。
重复步骤：重复发射控制步骤到求积步骤，得到一帧图像所需的多波束信号。
第二次波束合成步骤：将yp_fDAS_GCF信号进行二次变迹(即对多波束进行幅度加权，靠近发射中心的波束权重系数高，远离发射中心的波束权重系数小)，然后对多波束进行相干叠加得到第二次波束合成(BeamForming2,BF2)信号，将第二次波束合成信号送至处理单元进行处理并输出显示。
BF2原理图如图3所示，其中发射线用虚线表示，接收线用实线表示，本发明实施例给出的是16波束接收，输出4波束，接收波束和输出波束不限于此，接收波束可以为4/8/16/32等，输出波束可以为2/4/6/8等。
传统波束合成仿真图如图4所示，p次根压缩相干滤波波束合成(yp_fDAS_GCF)仿真图如图5所示。
传统波束合成与p次根压缩相干滤波波束合成局部对比图如图6所示，左图为本发明实施例yp_fDAS_GCF方法，右图为传统波束合成(y_DAS)方法。可以看出本发明实施例提高了图像对比度，改善了横向分辨率，减小了旁瓣的影响。除此，多波束接收相干叠加不仅提高了图像质量，同时提高了帧率。
本发明实施例的多波束p次根压缩相干滤波波束合成装置，包括：
发射控制模块：定点聚焦发射一次超声波；
延时计算模块：进行动态聚焦并采用多波束接收，延时计算得到多波束各通道的数据
其中，1≤n≤N，N为通道数，τn为第n个阵元施加的延时，r/c为超声波从场点到传感器阵元坐标原点的传播时间，c是软组织平均声速，r为场点到传感器阵元的距离；
相干因子计算模块：根据延时计算结果取得多波束的通道数据s(t)，依次计算每条波束的广义相干因子；
第一次波束合成模块：对多波束的各个通道的数据sn(t)分别乘以汉宁窗变迹系数wn，然后进行p次根号压缩波束合成运算，得到各通道压缩和累加和结果yp_DAS(t)，再得到第一次波束合成的输出信号yp_DAS；
带通滤波模块：通过带通滤波器对yp_DAS信号进行带通滤波，得到yp_fDAS；
求积模块：将yp_fDAS与相干因子进行加权得到yp_fDAS_GCF信号；
重复模块：控制发射控制模块、延时计算模块、相干因子计算模块、第一次波束合成模块、带通滤波模块、求积模块重复工作，得到一帧图像所需的多波束信号；
第二次波束合成模块：将yp_fDAS_GCF信号进行二次变迹，然后对多波束进行相干叠加得到第二次波束合成信号，输出第二次波束合成信号进行显示。
作为一种实施方式，相干因子计算模块中，采用下式计算相干因子：
其中，S(k)为sn(t)的频域表达方式，S(k)＝FFT(sn(t))，k为频率，范围1<＝k<＝N，M0为低频成分调节参数。
作为一种实施方式，M0≤3。
作为一种实施方式，第一次波束合成模块中，采用下式计算yp_DAS：
其中，sp(t)为各通道p次方根压缩后信号，sign(.)为符号函数，大于0为1，小于0为-1，
作为一种实施方式，带通滤波模块中，带通滤波器截止频率上限为4.7MHz，下限为2.3MHz，滤波器阶数为64。
本发明实施例的多波束p次根压缩相干滤波波束合成装置作为诊断超声机器的一个测量模块，配合超声整机使用。如图7所示为系统框图，为常规诊断超声系统框图，发射控制模块产生超声波信号辐射到被测试组织中，当声波遇到组织的边界时，一部分能量被反射回来，此时阵列转换为信号接收器，接收声波使得传感器振动并将振动转换为电信号，接收信号经模数转换器(A/D)采样和数字化，再经过时间增益补偿(TGC)来补偿由于深度导致的超声波幅值衰减，然后经本发明实施例的多波束p次根压缩相干滤波波束合成装置得到RF信号，RF信号经过包络提取、解调等信号处理分离出载波信号，之后通过扫描转换和后端图像处理，最终经显示器显示出最后的图像。
本发明实施例的多波束p次根压缩相干滤波波束合成装置具体为将各通道的回波数据变迹处理，并进行p次根压缩运算，同时计算根据通道数据计算广义相干因子，压缩后的通道数据进行累加求和得到BF1信号，对BF1信号进行带通滤波，去除二次谐波及其它噪声的干扰，然后将GFC与BF1进行加权抑制旁瓣，最后将信号送往BF2模块进行相干叠加处理得到RF信号。
本发明实施例运用在超声系统中，相较于传统方法实现了较好的聚焦效果，提高了图像质量。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。
Claims (10)
1.一种多波束p次根压缩相干滤波波束合成方法，其特征在于，包括：
发射控制步骤：定点聚焦发射一次超声波；
延时计算步骤：进行动态聚焦并采用多波束接收，延时计算得到多波束各通道的数据
其中，1≤n≤N，N为通道数，τn为第n个阵元施加的延时，r/c为超声波从场点到传感器阵元坐标原点的传播时间，c是软组织平均声速，r为场点到传感器阵元的距离；
相干因子计算步骤：根据延时计算结果取得多波束的通道数据s(t)，依次计算每条波束的广义相干因子；
第一次波束合成步骤：对多波束的各个通道的数据sn(t)分别乘以汉宁窗变迹系数wn，然后进行p次根号压缩波束合成运算，得到各通道压缩和累加和结果yp_DAS(t)，再得到第一次波束合成信号yp_DAS；
带通滤波步骤：通过带通滤波器对yp_DAS信号进行带通滤波，得到yp_fDAS；
求积步骤：将yp_fDAS与相干因子进行加权得到yp_fDAS_GCF信号；
重复步骤：重复发射控制步骤到求积步骤，得到一帧图像所需的多波束信号；
第二次波束合成步骤：将yp_fDAS_GCF信号进行二次变迹，然后对多波束进行相干叠加得到第二次波束合成信号，输出第二次波束合成信号进行显示。
2.如权利要求1所述的多波束p次根压缩相干滤波波束合成方法，其特征在于，相干因子计算步骤中，采用下式计算相干因子：
其中，S(k)为sn(t)的频域表达方式，S(k)＝FFT(sn(t))，k为频率，范围1<＝k<＝N，M0为低频成分调节参数。
3.如权利要求2所述的多波束p次根压缩相干滤波波束合成方法，其特征在于，M0≤3。
4.如权利要求1所述的多波束p次根压缩相干滤波波束合成方法，其特征在于，第一次波束合成步骤中，采用下式计算yp_DAS：
其中，sp(t)为各通道p次方根压缩后信号，sign(.)为符号函数，大于0为1，小于0为-1，
5.如权利要求1所述的多波束p次根压缩相干滤波波束合成方法，其特征在于，带通滤波步骤中，带通滤波器截止频率上限为4.7MHz，下限为2.3MHz，滤波器阶数为64。
6.一种多波束p次根压缩相干滤波波束合成装置，其特征在于，包括：
发射控制模块：定点聚焦发射一次超声波；
延时计算模块：进行动态聚焦并采用多波束接收，延时计算得到多波束各通道的数据
其中，1≤n≤N，N为通道数，τn为第n个阵元施加的延时，r/c为超声波从场点到传感器阵元坐标原点的传播时间，c是软组织平均声速，r为场点到传感器阵元的距离；
相干因子计算模块：根据延时计算结果取得多波束的通道数据s(t)，依次计算每条波束的广义相干因子；
第一次波束合成模块：对多波束的各个通道的数据sn(t)分别乘以汉宁窗变迹系数wn，然后进行p次根号压缩波束合成运算，得到各通道压缩和累加和结果yp_DAS(t)，再得到第一次波束合成信号yp_DAS；
带通滤波模块：通过带通滤波器对yp_DAS信号进行带通滤波，得到yp_fDAS；
求积模块：将yp_fDAS与相干因子进行加权得到yp_fDAS_GCF信号；
重复模块：控制发射控制模块、延时计算模块、相干因子计算模块、第一次波束合成模块、带通滤波模块、求积模块重复工作，得到一帧图像所需的多波束信号；
第二次波束合成模块：将yp_fDAS_GCF信号进行二次变迹，然后对多波束进行相干叠加得到第二次波束合成信号，输出第二次波束合成信号进行显示。
7.如权利要求6所述的多波束p次根压缩相干滤波波束合成装置，其特征在于，相干因子计算模块中，采用下式计算相干因子：
其中，S(k)为sn(t)的频域表达方式，S(k)＝FFT(sn(t))，k为频率，范围1<＝k<＝N，M0为低频成分调节参数。
8.如权利要求7所述的多波束p次根压缩相干滤波波束合成装置，其特征在于，M0≤3。
9.如权利要求6所述的多波束p次根压缩相干滤波波束合成装置，其特征在于，第一次波束合成模块中，采用下式计算yp_DAS：
其中，sp(t)为各通道p次方根压缩后信号，sign(.)为符号函数，大于0为1，小于0为-1，
10.如权利要求6所述的多波束p次根压缩相干滤波波束合成装置，其特征在于，带通滤波模块中，带通滤波器截止频率上限为4.7MHz，下限为2.3MHz，滤波器阶数为64。
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