CN115500865A - 用于被动声成像的快速延迟乘和自适应波束形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于被动声成像的快速延迟乘和自适应波束形成方法，首先设置位于待测物体一侧的功率探头的超声输出功率和时序，在待测物体的另一侧采集B模式信号或各阵元被动接收的空化信号后，采用改进的最小方差‑相乘延时叠加算法处理，得到聚焦信号，经能量时间积分以实现长脉冲光成像后，通过对数压缩处理和扫描转换，得到最终的显示图像。本发明将自适应波束形成器和DMAS相结合，在远场具有更好的旁瓣抑制，在被动空化成像时具有最佳聚焦和最小伪影的效果的同时，将计算复杂度从o(n2)降低至o(n)。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种超声成像领域的技术，具体是一种用于被动声成像的快速延迟乘和(DMAS)自适应波束形成方法。
背景技术
高强度聚焦超声(HIFU)是一种通过聚焦超声脉冲来机械地摧毁组织的技术，该聚焦超声脉冲生成空化。治疗过程中需要精确定位聚焦位置，也需要检测空化的强弱和空间分布。现有的反向散射超声回波的频率的谐波的分析能够被动检测空化，但其空间分辨率较低，而传统的B型超声成像技术虽然能够实时地观察组织的改变，但是灵敏度较低，必须要聚焦超声足够强到引起组织变性才能观测到。
发明内容
本发明针对现有技术在远场会产生尾部伪影不足、计算复杂度过高的缺陷，提出一种用于被动声成像的快速延迟乘和自适应波束形成方法，将自适应波束形成器和DMAS相结合，在远场具有更好的旁瓣抑制，在被动空化成像时具有最佳聚焦和最小伪影的效果的同时，将计算复杂度从o(n2)降低至o(n)。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种用于被动声成像的快速延迟乘和自适应波束形成方法，包括：
步骤一：设置位于待测物体一侧的功率探头的超声输出功率和时序，在待测物体的另一侧采集B模式信号或各阵元被动接收的空化信号；
所述的时序是指：控制空化成像脉冲与正常B模式和/或造影模式脉冲的发射时序，使两者在时序上的完全错开从而将干扰显著降低，实现分时全双工，具体为：以满足空化脉冲发射后得到的回波强度衰减至小于等于常规成像超声脉冲的强度所需要的安全时间，即：
其中：ft为空化脉冲频率，fB为成像脉冲频率，Vt为空化脉冲电压，VB为成像脉冲电压，d为当前成像深度，α为超声在人体内的衰减系数，一般为0.5dB MHz/cm。
步骤二：对步骤一所得的空化信号采用改进的最小方差-相乘延时叠加(MV-DMAS)算法处理，具体为：在xz位置进行聚焦延时，t时刻所得的每条扫描线数据si(x，z，t)＝pi(t+τ(x，z))，其中：pi(t)为换能器第i个阵元收到的空化信号，z垂直于探头表面，x平行于探头表面；该空化信号对应的延时的长度
对扫描线数据进行加权得到聚焦信号
其中改进的权值wi，通过以下方式得到：
其中：
a为单位矢量；H代表转置。
步骤三：将步骤二得到的聚焦信号进行能量时间积分以实现长脉冲光成像，具体为：
通过化简得到波束成型信号
因此可得到xy位置的被动声场成像的声强
其中：n为阵元数；
为w加权过后的si；
为保留符号开平方；ρ0为人体的平均密度；c0为人体的平均声速；T为积分时长；
步骤四：对步骤三得到的长脉冲光成像进行对数压缩处理和扫描转换，得到最终的显示图像。
技术效果
本发明通过在同一台设备硬件上时分复用，实现主动和被动的协同工作，通过引入可调节的高通滤波器后，通过调节不同的截止频率实现被动空化成像和被动声场映射的同时显示，即明确定位空化位置并显示声场强弱的空间分布。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为实施例系统示意图；
图3为实施例时序控制示意图；
图3和图4为实施例效果示意图；
图5为实施例效果示意图
图中：(a)为DAS成像算法；(b)为MV成像算法；(c)为DMAS成像算法；(d)为本方法。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例的一种快速延迟乘和自适应波束形成方法，包括：
步骤1、调节高通滤波器参数，以同时完成被动空化成像和被动声场映射，具体为：通过设置高通滤波器的截止频率，使其仅滤去直流，从而得到全部交流的声场信号用于被动声场映射的成像；通过设置高通滤波器的截止频率为发射信号的频率时，能够在被测区域发生空化时采集到白化频谱，用于被动空化成像；当未发生空化时，则仅收到发射频率和少量的偶次倍频，故只需滤去f0和2f0后，即得到空化信号或无其他接收信号。例如发射频率1Mhz，设置高通滤波截至频率为5Mhz并对接收信号进行被动成像，即反映空化强弱的空间分辨率的被动空化成像。
步骤2、缓冲hifu单次发射期间每通道的接收数据，具体为：对于每个接收通道准备一个高速缓冲，该缓冲的零时刻是Tdelay＝T0+Thifu+Ts，其中：T0为hifu发射的时间，Thifu为hifu声波到达被测物体的时间，Ts为被测物体收到hifu信号后发出的反射信号到达探头的时间。
所述的高速缓冲的位宽优选设置为与模数转换处理的位宽相同，通常为12bit或者14bit。
步骤3、对于每个像素，根据声速计算对应的每个通道延时，具体为：
其中：x为平行于探头表面的坐标，z为垂直于探头表面的坐标。
步骤4、根据通道延时对该通道的接收信号进行时移处理，具体为：si(x，z，t)＝pi(t+τ(x，z))，其中：pi(t)为换能器第i个阵元收到的空化信号。
步骤5、基于时移后的信号S，计算权重W，具体为：
其中：
a为单位矩阵；H为转置。
步骤6、基于改进的mv-dmas算法计算聚焦信号q，具体为：
步骤7、化简聚焦信号q得到q*，通过时间积分得到被动声场成像的声强I，具体为：
其中：化简后的聚焦信号为
n为阵元数；
为w加权过后的si；
为保留符号开平方；ρ0为人体的平均密度；c0为人体的平均声速；T为积分时长；
步骤8、将每次发射计算得到的声强I进行时间平均作为各像素值。
步骤9、对数压缩。
步骤10、增益调节。
步骤11、扫描变换。
如图2和图3所示，为本实施例涉及的一种实现上述方法的成像系统，包括：与探头相连的波束成形单元以及图像加速单元，其中：波束成形单元包括128个接收通道、触发及时序控制单元以及发射波束赋形单元，触发及时序控制单元接收来自图像加速单元的指令并分别向HIFU单元、发射波束赋形单元和接收通道发出如图4所示的时序控制指令；接收通道缓冲HIFU单次发射期间每通道的接收数据，依次经低噪放大处理、压控放大器处理、放大处理和抗混叠滤波后经模数转换得到数字信号，该数字信号经高通滤波后缓存并通过PCIe总线批量发送至图像加速单元，图像加速单元通过计算对应的每个通道延时并计算权重后，基于改进的MV-DMAS算法得到被动声场成像的声强I，并通过时间平均得到对应被动声场成像；图像加速单元同时将收到的缓存后的数字信号进行B模式成像，最终与被动声场成像融合后输出。
经过具体实际实验，本实施例使用128单元线性探头，单元间距＝0.3mm。并在40mm深度处放置空化泡。对从仿真模型生成的pi(t)进行去直流高通滤波，得到以下结果。
如图5所示，为本实施例完成的B模式和被动成像模式双工模式融合图像，图中a为DAS结果，b为最小方差(Minimum Variance)结果，c为延迟乘和(DMAS)结果，d为本发明改进的MV-DMAS结果。结果显示，本方法分辨率优于现有技术且通过GPU加速，实现了实时声场被动成像。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (7)
1.一种用于被动声成像的快速延迟乘和自适应波束形成方法，其特征在于，首先设置位于待测物体一侧的功率探头的超声输出功率和时序，在待测物体的另一侧采集B模式信号或各阵元被动接收的空化信号后，采用改进的最小方差-相乘延时叠加算法处理，得到聚焦信号，经能量时间积分以实现长脉冲光成像后，通过对数压缩处理和扫描转换，得到最终的显示图像。
2.根据权利要求1所述的用于被动声成像的快速延迟乘和自适应波束形成方法，其特征是，所述的时序是指：控制空化成像脉冲与正常B模式和/或造影模式脉冲的发射时序，使两者在时序上的完全错开从而将干扰显著降低，实现分时全双工。
3.根据权利要求1或2所述的用于被动声成像的快速延迟乘和自适应波束形成方法，其特征是，所述的时序，以满足空化脉冲发射后得到的回波强度衰减至小于等于常规成像超声脉冲的强度所需要的安全时间，即：
其中：ft为空化脉冲频率，fB为成像脉冲频率，Vt为空化脉冲电压，VB为成像脉冲电压，d为当前成像深度，α为超声在人体内的衰减系数。
4.根据权利要求1所述的用于被动声成像的快速延迟乘和自适应波束形成方法，其特征是，所述的改进的最小方差-相乘延时叠加算法处理，具体为：在xz位置进行聚焦延时，t时刻所得的每条扫描线数据si(x，z，t)＝pi(t+τ(x，z))，其中：pi(t)为换能器第i个阵元收到的空化信号，z垂直于探头表面，x平行于探头表面；该空化信号对应的延时的长度
对扫描线数据进行加权得到聚焦信号
其中改进的权值wi，通过以下方式得到：
其中：
a为单位矢量；H代表转置。
5.根据权利要求1所述的用于被动声成像的快速延迟乘和自适应波束形成方法，其特征是，所述的能量时间积分以实现长脉冲光成像，具体为：
通过化简得到波束成型信号
得到xy位置的被动声场成像的声强
其中：n为阵元数；
为w加权过后的si；
为保留符号开平方；ρ0为人体的平均密度；c0为人体的平均声速；T为积分时长；
6.根据权利要求1-5中任一所述的用于被动声成像的快速延迟乘和自适应波束形成方法，其特征是，具体包括：
步骤1、调节高通滤波器参数，以同时完成被动空化成像和被动声场映射，具体为：通过设置高通滤波器的截止频率，使其仅滤去直流，从而得到全部交流的声场信号用于被动声场映射的成像；通过设置高通滤波器的截止频率为发射信号的频率时，能够在被测区域发生空化时采集到白化频谱，用于被动空化成像；当未发生空化时，则仅收到发射频率和少量的偶次倍频，故只需滤去f0和2f0后，即得到空化信号或无其他接收信号；
步骤2、缓冲hifu单次发射期间每通道的接收数据，具体为：对于每个接收通道准备一个高速缓冲，该缓冲的零时刻是Tdelay＝T0+Thifu+Ts，其中：T0为hifu发射的时间，Thifu为hifu声波到达被测物体的时间，Ts为被测物体收到hifu信号后发出的反射信号到达探头的时间；
步骤3、对于每个像素，根据声速计算对应的每个通道延时，具体为：
其中：x为平行于探头表面的坐标，z为垂直于探头表面的坐标；
步骤4、根据通道延时对该通道的接收信号进行时移处理，具体为：si(x，z，t)＝pi(t+τ(x，z))，其中：pi(t)为换能器第i个阵元收到的空化信号；
步骤5、基于时移后的信号S，计算权重W，具体为：
其中：
a为单位矩阵；H为转置；
步骤6、基于改进的mv-dmas算法计算聚焦信号q，具体为：
步骤7、化简聚焦信号q得到q*，通过时间积分得到被动声场成像的声强I，具体为：
其中：化简后的聚焦信号为
n为阵元数；
为w加权过后的si；
为保留符号开平方；ρ0为人体的平均密度；c0为人体的平均声速；T为积分时长；
步骤8、将每次发射计算得到的声强I进行时间平均作为各像素值；
步骤9、对数压缩；
步骤10、增益调节；
步骤11、扫描变换。
7.一种实现权利要求1-6中任一所述用于被动声成像的快速延迟乘和自适应波束形成方法的成像系统，其特征在于，包括：与探头相连的波束成形单元以及图像加速单元，其中：波束成形单元包括128个接收通道、触发及时序控制单元以及发射波束赋形单元，触发及时序控制单元接收来自图像加速单元的指令并分别向HIFU单元、发射波束赋形单元和接收通道发出时序控制指令；接收通道缓冲HIFU单次发射期间每通道的接收数据，依次经低噪放大处理、压控放大器处理、放大处理和抗混叠滤波后经模数转换得到数字信号，该数字信号经高通滤波后缓存并通过PCIe总线批量发送至图像加速单元，图像加速单元通过计算对应的每个通道延时并计算权重后，基于改进的MV-DMAS算法得到被动声场成像的声强I，并通过时间平均得到对应被动声场成像；图像加速单元同时将收到的缓存后的数字信号进行B模式成像，最终与被动声场成像融合后输出。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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