CN115844457A - 一种基于相位校准的心内超声成像系统及成像方法 - Google Patents

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CN115844457A CN202211550198.1A CN202211550198A CN115844457A CN 115844457 A CN115844457 A CN 115844457A CN 202211550198 A CN202211550198 A CN 202211550198A CN 115844457 A CN115844457 A CN 115844457A
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Abstract

本发明公开了一种基于相位校准的心内超声成像系统及成像方法，该系统包括信号接收模块用于接收被心脏内壁反射的超声回波信号；数据缓冲区模块，用于存储接收到的超声回波信号；数据处理模块用于从数据缓冲区模块读取心脏内壁反射的超声回波信号；将获取的所述超声波回波信号，进行多通道超声回波信号校准；以其中一条通道作为基准通道，计算其他通道与基准通道的相位误差和延时误差；对其他通道的超声回波信号进行校准；图像处理模块，利用校准后的超声回波信号，进行波束合成，对合成波束进行显示参数调整后，生成二维超声图像。本申请实现了通过算法对不同通道的超声回波信号进行计算并完成校准工作，降低了硬件电路的复杂程度和高昂的成本。

Description

一种基于相位校准的心内超声成像系统及成像方法
技术领域
本发明涉及心内超声成像技术领域，尤其涉及一种基于相位校准的心内超声成像系统及成像方法。
背景技术
在医学影像诊断中，超声技术具备检查实时性好、对人体没有电离辐射、成本较低等优势，获得了广泛应用。医学超声成像系统向人体被检查部位发射超声波，并接收回波，通过一系列成像算法将回波信号转换成图像数据。
医学超声成像系统往往采用多个阵元接收回波信号，并使用时间(或称相位)延迟叠加波束形成算法，对每个阵元的接收信号按照一定的逻辑做延迟，让系统能够对所需深度/方向的回波做到最大化利用。超声波在人体组织中的平均传播速度约为1540m/s，这是超声检查医师经常使用的估算数据，这种估算方式其实是把人体简单地视为一种均匀介质。但是对于超声成像系统的设计者来说，这种假设并不适用：人体各部位组织、不同器官对超声波的传播速度实际上并不相同，脂肪和肌肉的超声波速差异甚至达到10％以上。在人体组织并不是超声传播的均匀介质这个现实状况下，超声成像系统对回波的聚焦效果会降低，所形成的图像分辨率、组织边界清晰度也会劣化。为了保证图像质量尽量清晰、真实，需要有效的回波处理方法。
对心腔内超声检查来说，回波处理尤为重要。心脏的结构复杂，各部位形状不规则、厚度不均匀；每个人的心脏大小、各部位形态及尺寸都不尽相同；整个心脏一直在搏动，尤其是二尖瓣、三尖瓣等瓣膜始终处于快速运动状态。特别需要引起注意的是，在执行心腔内超声检查时，医师将超声探头通过导管置于患者的心房或心室内，在此情景下探头被血液包围，且周围的血液流速一直在变化。这些情形都不利于超声回波信号的叠加处理，导致心腔内超声对运动的瓣膜、各部位边界、血流方向等临床关注点的成像尤为困难。
因此，对心腔内超声来说，急需一种适用于结构复杂的非均匀介质，且速度较快的回波处理方法。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种基于相位校准的心内超声成像方法及成像系统，通过算法对不同通道的超声回波信号进行计算并完成校准工作，降低了硬件电路的复杂程度和高昂的成本。
为了实现上述目的，本发明的一种基于相位校准的心内超声成像方法，包括以下步骤：
S1、获取心脏内壁反射的多通道超声回波信号；
S2、将获取的超声波回波信号，进行多通道超声回波信号校准；以其中个一条通道作为基准通道，计算其他通道与基准通道的相位误差和延时误差；
S3、将校准后的多通道超声回波信号，形成超声图像数据。
进一步优选的，所述多通道超声回波信号校准包括如下过程：
S201、选择任意通道超声回波信号作为基准通道信号；
S202、对基准通道信号进行希尔伯特变换或正交解调后得到基准通道信号的幅值和相位；作为基准幅值和基准相位；
S203、根据超声换能器的角频率与采样时间的函数关系，依次计算其他通道与基准通道信号的相位误差和延时误差；完成多通道超声回波信号的校准。
在上述任意一项实施例中，进一步优选的，所述基准通道信号选择中心阵元所在通道的信号。
在上述任意一项实施例中，进一步优选的，在S203中，所述超声换能器的角频率与采样时间的函数关系，采用如下公式计算：
Figure BDA0003980684920000031
其中，dn为需要校准的采样数，fs为超声换能器的采样频率，dθ为相位的微分方程；fc为超声波换能器的中心频率。
本发明还提供一种基于相位校准的心内超声成像系统，包括：信号接收模块，数据缓冲区模块，数据处理模块，图像处理模块；
所述信号接收模块用于接收被心脏内壁反射的超声回波信号；
所述数据缓冲区模块，用于存储接收到的超声回波信号；
所述数据处理模块用于从数据缓冲区模块读取心脏内壁反射的超声回波信号；将获取的所述超声波回波信号，进行多通道超声回波信号校准；以其中一条通道作为基准通道，计算其他通道与基准通道的相位误差和延时误差；并对其他通道的超声回波信号进行校准；
所述图像处理模块，利用校准后的超声回波信号，进行波束合成，对合成波束进行显示参数调整后，生成二维超声图像。
在上述任意一项实施例中，进一步优选的，还包括超声激励模块和信号发射模块；
所述超声激励模块用于产生固定电压和频率的脉冲信号；
所述信号发射模块用于接收脉冲信号，并触发超声换能器阵列，向心腔发射超声波信号。
在上述任意一项实施例中，进一步优选的，所述数据处理模块进行多通道超声回波信号校准时，包括如下过程：选择任意通道超声回波信号作为基准通道信号；
对基准通道信号进行希尔伯特变换或正交解调后得到基准通道信号的幅值和相位；作为基准幅值和基准相位；
根据超声换能器的角频率与采样时间的函数关系，依次计算其他通道与基准通道信号的相位误差和延时误差；完成多通道超声回波信号的校准。
在上述任意一项实施例中，进一步优选的，所述图像处理模块还包括
建立神经网络，利用所述神经网络对合成的波束提取信号特征；利用神经网络对提取的信号特征进行分类，对所属类别为ROI区域的信号，形成二维超声图像时进行增强显示。
在上述任意一项实施例中，进一步优选的，所述神经网络采用如下方式进行训练：
在以往的二维超声图像中，标记ROI区域；
采用强化学习网络，对合成的波束提取的信号特征进行分类。
在上述任意一项实施例中，进一步优选的，还包括图像显示模块；所述图像显示模块用于显示二维超声图像，并突出显示ROI区域。
本申请公开的基于相位校准的心内超声成像方法及成像系统，相比于现有技术，至少具有以下方法：
1、本申请通过算法对不同通道的超声回波信号进行计算并完成校准工作，降低了硬件电路的复杂程度和高昂的成本。
2、本申请提供的成像方法及成像系统尤其适用于，对图像质量要求较高但对图像的帧率要求不高的超声成像场景，可通过该算法，进行多次迭代计算，将校准的精度显著提高。
附图说明
图1为本发明提供的基于相位校准的心内超声成像方法的流程示意图。
图2为本发明提供的基于相位校准的心内超声成像系统的流程示意图。
具体实施方式
以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明一方面实施例提供的一种基于相位校准的心内超声成像方法，包括以下步骤：
S1、获取心脏内壁反射的多通道超声回波信号；
S2、将获取的超声波回波信号，进行多通道超声回波信号校准；以其中个一条通道作为基准通道，计算其他通道与基准通道的相位误差和延时误差；
所述多通道超声回波信号校准包括如下过程：
S201、选择任意通道超声回波信号作为基准通道信号；所述基准通道信号选择中心阵元所在通道的信号。
S202、对基准通道信号进行希尔伯特变换或正交解调后得到基准通道信号的幅值和相位；作为基准幅值和基准相位；
S203、根据超声换能器的角频率与采样时间的函数关系，依次计算其他通道与基准通道信号的相位误差和延时误差；完成多通道超声回波信号的校准。所述超声换能器的角频率与采样时间的函数关系，采用如下公式计算：
Figure BDA0003980684920000051
其中，dn为需要校准的采样数，fs为超声换能器的采样频率，dθ为相位的微分方程；fc为超声波换能器的中心频率。
实施例1
(1)对多通道信号，进行希尔伯特变换或正交解调后得到幅值相位信息为A(t)·ejωt。其中A(t)为信号的幅值信息，ejωt为相相位信息。
(2)选择中心阵元所在通道的信号相位作为基准相位，即通道S0的回波信号的相位为
Figure BDA0003980684920000061
通道S1的相位为/>
Figure BDA0003980684920000062
则两通道相位差为/>
Figure BDA0003980684920000063
其中ω为角频率，用来表示每秒振动的相位变化次数。
(3)将角频率的关系公式ω＝2πfc带入上式，通道S0和通道S1的相位差为
Figure BDA0003980684920000064
其中f表示频率，描述信号的变化快慢。f＝1/T，此处取超声波换能器的中心频率fc.
(4)由2πfcdt＝dθ得到
Figure BDA0003980684920000065
其中θ表示初始相位，描述信号在0时刻的相位情况。
(5)由此可以推导采样点关于时间的函数为：
Figure BDA0003980684920000066
其中fs为采样频率，N为采样数，dn为需要校准的采样数。
(6)
Figure BDA0003980684920000067
表示通道S1相对于基准通道S0在t0时的采样数的差值，给此通道的相位/>
Figure BDA0003980684920000068
补该差值即可完成校准。
S3、将校准后的多通道超声回波信号，形成超声图像数据。
此为第一次校准，若系统对图像要求较高时，可进行多次迭代，发射具有新的延迟曲线的第二发射波束。可以使用第二次发射产生的回波再次估计和补偿时间到达误差，通常，图像质量最多可以提高2-3次迭代，并且其他迭代产生的收益递减。这些自适应方法需要多次迭代和计算，会降低帧速率。可根据实际系统的需求来选择迭代次数。
相位校准后的信号可用来成像，结合成像效果对信号进行降噪，动态范围等参数的调整，形成超声图像数据，发送超声图像数据至图像处理模块。
如图2所示，本发明还提供一种基于相位校准的心内超声成像系统，包括：信号接收模块，数据缓冲区模块，数据处理模块，图像处理模块；
所述信号接收模块用于接收被心脏内壁反射的超声回波信号；
所述数据缓冲区模块，用于存储接收到的超声回波信号；
所述数据处理模块用于从数据缓冲区模块读取心脏内壁反射的超声回波信号；将获取的所述超声波回波信号，进行多通道超声回波信号校准；以其中个一条通道作为基准通道，计算其他通道与基准通道的相位误差和延时误差；并对其他通道的超声回波信号进行校准；
所述图像处理模块，利用校准后的超声回波信号，进行波束合成，对合成波束进行显示参数调整后，生成二维超声图像。
进一步，还包括超声激励模块和信号发射模块；所述超声激励模块用于产生固定电压和频率的脉冲信号；所述信号发射模块用于接收脉冲信号，并触发超声换能器阵列，向心腔发射超声波信号。
所述数据处理模块进行多通道超声回波信号校准时，包括如下过程：选择任意通道超声回波信号作为基准通道信号；
对基准通道信号进行希尔伯特变换或正交解调后得到基准通道信号的幅值和相位；作为基准幅值和基准相位；
根据超声换能器的角频率与采样时间的函数关系，依次计算其他通道与基准通道信号的相位误差和延时误差；完成多通道超声回波信号的校准。
所述图像处理模块还包括建立神经网络，利用所述神经网络对合成的波束提取信号特征；利用神经网络对提取的信号特征进行分类，对所属类别为ROI区域的信号，形成二维超声图像时进行增强显示。
所述神经网络采用如下方式进行训练：
在以往的二维超声图像中，标记ROI区域；进一步，可以根据不同的ROI区域采用不同标签进行标记；每个标签对应一组信号特征。
其中对合成的波束提取的信号特征包括：位置坐标、角度、区域面积以及区域边缘像素等；
在强化学习网络中，设定对所提取的信号特征按照标签进行分类为执行动作A；设定合成波束形成的初始超声波图像为状态空间S；当在状态空间中执行动作A时，根据奖励函数
Figure BDA0003980684920000081
其中，/>
Figure BDA0003980684920000082
表示，位置坐标为(x,y)的任一像素点的特征向量集合；/>
Figure BDA0003980684920000083
表示(x,y)像素点de特征向量集合落入各个标签的RIO区域的似然估计值；i为采样的帧，n为形成合成的波束的最大帧数。根据上式计算奖励值，当奖励值符合预设范围时，认为在状态空间S中执行动作A成立，则突出显示该标签对应的ROI区域。
采用强化学习网络，对合成的波束提取的信号特征进行分类。
还包括图像显示模块；所述图像显示模块用于显示二维超声图像，并突出显示ROI区域。
系统工作详细步骤：
(1)确认需要成像范围，将导管超声探头置入心脏感兴趣位置。
(2)超声激励模块发射固定电压和频率的激励信号。
(3)信号发射模块接收激励信号并发射固定中心频率的超声波信号。
(4)信号接收模块接收心内结构反射的超声回波.并藉由硬件电路完成信号处理和A/D转换。
(5)信号缓存区模块配合数据处理模块完成数据的存储和读取。
(6)数据处理模块读取缓存区的数据并利用上述相位校准方法完成多通道超声回波信号的校准。
(7)图像显示模块接收处理后的数据并转化为图像，进行图像的处理后显示在上位机。
显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于相位校准的心内超声成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取心脏内壁反射的多通道超声回波信号；
S2、将获取的超声波回波信号，进行多通道超声回波信号校准；以其中个一条通道作为基准通道，计算其他通道与基准通道的相位误差和延时误差；
S3、将校准后的多通道超声回波信号，形成超声图像数据。
2.根据权利要求1所述的基于相位校准的心内超声成像方法，其特征在于，在S2中，所述多通道超声回波信号校准包括如下过程：
S201、选择任意通道超声回波信号作为基准通道信号；
S202、对基准通道信号进行希尔伯特变换或正交解调后得到基准通道信号的幅值和相位；作为基准幅值和基准相位；
S203、根据超声换能器的角频率与采样时间的函数关系，依次计算其他通道与基准通道信号的相位误差和延时误差；完成多通道超声回波信号的校准。
3.根据权利要求1所述的基于相位校准的心内超声成像方法，其特征在于，所述基准通道信号选择中心阵元所在通道的信号。
4.根据权利要求1所述的基于相位校准的心内超声成像方法，其特征在于，在S203中，所述超声换能器的角频率与采样时间的函数关系，采用如下公式计算：
Figure FDA0003980684910000011
其中，dn为需要校准的采样数，fs为超声换能器的采样频率，dθ为相位的微分方程；fc为超声波换能器的中心频率。
5.一种基于相位校准的心内超声成像系统，其特征在于，包括：信号接收模块，数据缓冲区模块，数据处理模块，图像处理模块；
所述信号接收模块用于接收被心脏内壁反射的超声回波信号；
所述数据缓冲区模块，用于存储接收到的超声回波信号；
所述数据处理模块用于从数据缓冲区模块读取心脏内壁反射的超声回波信号；将获取的所述超声波回波信号，进行多通道超声回波信号校准；以其中个一条通道作为基准通道，计算其他通道与基准通道的相位误差和延时误差；并对其他通道的超声回波信号进行校准；
所述图像处理模块，利用校准后的超声回波信号，进行波束合成，对合成波束进行显示参数调整后，生成二维超声图像。
6.根据权利要求1所述的基于相位校准的心内超声成像系统，其特征在于，还包括超声激励模块和信号发射模块；
所述超声激励模块用于产生固定电压和频率的脉冲信号；
所述信号发射模块用于接收脉冲信号，并触发超声换能器阵列，向心腔发射超声波信号。
7.根据权利要求1所述的基于相位校准的心内超声成像系统，其特征在于，
所述数据处理模块进行多通道超声回波信号校准时，包括如下过程：选择任意通道超声回波信号作为基准通道信号；
对基准通道信号进行希尔伯特变换或正交解调后得到基准通道信号的幅值和相位；作为基准幅值和基准相位；
根据超声换能器的角频率与采样时间的函数关系，依次计算其他通道与基准通道信号的相位误差和延时误差；完成多通道超声回波信号的校准。
8.根据权利要求1所述的基于相位校准的心内超声成像系统，其特征在于，所述图像处理模块还包括：
建立神经网络，利用所述神经网络对合成的波束提取信号特征；利用神经网络对提取的信号特征进行分类，对所属类别为ROI区域的信号，形成二维超声图像时进行增强显示。
9.根据权利要求8所述的基于相位校准的心内超声成像系统，其特征在于，所述神经网络采用如下方式进行训练：
在以往的二维超声图像中，标记ROI区域；
采用强化学习网络，对合成的波束提取的信号特征进行分类。
10.根据权利要求1所述的基于相位校准的心内超声成像系统，其特征在于，还包括图像显示模块；所述图像显示模块用于显示二维超声图像，并突出显示ROI区域。
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