CN116369972A - 一种应用于柔性超声器件的波束控制方法、系统、电子设备和可读存储介质 - Google Patents

一种应用于柔性超声器件的波束控制方法、系统、电子设备和可读存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明属于柔性超声技术领域，公开了一种应用于柔性超声器件的波束控制方法、系统、电子设备和可读存储介质。基于阵列化的柔性医学器件，计算阵列化上每个子压电陶瓷在区域的曲率；基于每个子压电陶瓷在区域的曲率，确定每个子压电陶瓷的延时信道采集策略；基于每个子压电陶瓷的延时信道，在每个超声信号通道延迟聚焦于物体中的欲探测区域之后，在合并通道之前计算出最佳的成像效果。本发明用以让超声更聚焦于所探测区域，从采集层面尽可能消除伪影，提升柔性压电换能器的成像质量。

Description

一种应用于柔性超声器件的波束控制方法、系统、电子设备和 可读存储介质
技术领域
本发明属于柔性超声技术领域，尤其涉及一种应用于柔性超声器件的波束控制方法、系统、电子设备和可读存储介质。
背景技术
通常延时叠加法(delay-and-sum，DAS)以及最小方差法(minimum variance，MV)波束成形控制策略较为广泛地应用于传统硬质探头医学超声成像。其作用方式是将超声换能器转向或聚焦在来自特定点(通常称为焦点)的信号上，可以改善超声图像的对比度，空间分辨率和信噪比，但此种方法也有局限性，仅适用于传统硬质超声探头。由于柔性医学器件具有可附着可穿戴，便于长期监测等优势逐渐成为研发重点。之于阵列化柔性超声器件，声束空间分布取决于其本身被弯曲的形态。曲率作为柔性超声医疗成像系统的关键输入量之一，必须将其纳入到波束聚焦控制策略中。图像质量明显改善，这给柔性器件的医疗图像带来了潜在的对比度和分辨率的提高。
如图1所示，延时叠加法波束合成方法用于独立于回波数据，但其主瓣宽度过宽，旁瓣响应级过高，得到的图像在分辨率和对比度上都存在缺陷。最小方差法波束合成技术根据回波数据计算得到动态的加权值，充分利用了回波信号的特征，降低旁瓣信号，其基本原理是通过保持期望方向上的增益不变，使阵列输出最小化，从而提高了图像的分辨率。相较于全部压电陶瓷同步激励而言，在诸如像人体一样的的曲面上，更适合于图2所示的异步激励策略。
方法基于最小方差法并将阵列器件的曲率也作为关键自变量。增加自变量后的波束控制策略，通过抑制来自轴外方向的干扰信号，并不允许在没有接收到能量的方向上出现大的侧波。最终可实现结果如图3，在每次柔性超声阵列发声之后通过上述方式，计算出发生拥有成像的空间测量的最优权重所在时序，通过异步发声，让超声更聚焦于所探测区域，从采集层面尽可能消除伪影，提升柔性压电换能器的成像质量。
发明内容
本发明提供一种应用于柔性超声器件的波束控制方法，用以让超声更聚焦于所探测区域，从采集层面尽可能消除伪影，提升柔性压电换能器的成像质量。
本发明通过以下技术方案实现：
一种应用于柔性超声器件的波束控制方法，所述波束控制方法具体包括，
基于阵列化的柔性医学器件，计算阵列化上每个子压电陶瓷在区域的曲率；
基于每个子压电陶瓷在区域的曲率，确定每个子压电陶瓷的延时信道；
基于每个子压电陶瓷的延时信道，在每个超声信号通道延迟聚焦于物体中的欲探测区域之后，在合并通道之前计算出最佳的成像效果。
一种应用于柔性超声器件的波束控制方法，所述将柔性医学器件阵列化具体为，所述阵列化柔性医学器件为柔性换能器，所述柔性换能器的一个压电陶瓷由M个子压电陶瓷组成。
一种应用于柔性超声器件的波束控制方法，所述计算阵列化上每个压电陶瓷在区域的曲率具体为，M个压电陶瓷记录一个信号Rm(t)，则每个压电陶瓷在区域的曲率为Zm。
一种应用于柔性超声器件的波束控制方法，所述确定每个子压电陶瓷的延时信道具体为，被探测空间内分布N+1个散射体，其中每个散射体都会反射信号Sp(t)；假定只有S0(t)接收器的聚焦焦点，而其他反射体是干扰源；
dm，p是反射器p到传感器m的距离，δ(t)是脉冲激励函数-狄拉克函数，
Figure BDA0004061386110000023
是传感器m的延迟，Nm(t)是第m组压电陶瓷信号通道的噪声，*是卷积算子；
第m个延时信道被描述为：
Figure BDA0004061386110000021
一种应用于柔性超声器件的波束控制方法，所述在每个超声信号通道延迟聚焦于图像中的一个点之后，在合并通道之前计算出最佳的成像效果具体为，成像的空间测量的加权和B(t)将由下面的表达式计算而得；其中ω是第m组信号的权重；
Figure BDA0004061386110000022
因此只需通过数值方法求解以下条件，控制得到最优权重，并通过此方法来控制柔性阵列化压电器件的延时时序：
Figure BDA0004061386110000031
一种应用于柔性超声器件的波束控制系统，所述系统包括
获取模块，用于采集阵列化的柔性医学器件每个压电陶瓷的信号Rm(t)；
计算模块，用于计算阵列化上每个子压电陶瓷在区域的曲率及确定每个子压电陶瓷的延时信道；
计算模块，还用于在合并通道之前计算出最佳的成像效果。
一种应用于柔性超声器件的波束控制系统，所述阵列化柔性医学器件为柔性换能器，所述柔性换能器的一个压电陶瓷由M个子压电陶瓷组成。
一种应用于柔性超声器件的波束控制系统，所述计算模块具体为，M个压电陶瓷记录一个信号Rm(t)，则每个压电陶瓷在区域的曲率为Zm；
被探测空间内分布N+1个散射体，其中每个散射体都会反射信号Sp(t)；假定只有S0(t)接收器的聚焦焦点，而其他反射体是干扰源；
dm，p是反射器p到传感器m的距离，δ(t)是脉冲激励函数-狄拉克函数，
Figure BDA0004061386110000035
是传感器m的延迟，Nm(t)是第m组压电陶瓷信号通道的噪声，*是卷积算子；
第m个延时信道被描述为：
Figure BDA0004061386110000032
成像的空间测量的加权和B(t)将由下面的表达式计算而得；其中ω是第m组信号的权重；
Figure BDA0004061386110000033
因此只需通过数值方法求解一下条件，控制得到最优权重：
Figure BDA0004061386110000034
一种电子设备，所述设备包括：处理器，以及存储有计算机程序指令的存储器，
所述处理器读取并执行所述计算机程序指令，以实现上述方法步骤。
一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述的方法步骤。
本发明的有益效果是：
本发明将阵列器件的曲率也作为关键自变量。增加自变量后的波束控制策略，通过抑制来自轴外方向的干扰信号，并不允许在没有接收到能量的方向上出现大的侧波。
本发明让成像误差逐步降低；从采集层面尽可能消除伪影，提升柔性压电换能器的成像质量。
附图说明
图1是传统控制策略延时叠加法示意图。
图2是本发明的最小方差法对比示意图。
图3是本发明的激发时间异步控制示意图，(a)同步发声示意图，(b)异步发声示意图。
图4是本发明的方案目标图，其中，(a)目标示意图，(b)现有方法目标误差示意图，(c)本发明目标误差示意图。
图5是本发明的仿真效果(反色处理)示意图，其中，(a)传统控制策略仿真效果意图，(b)本发明仿真效果意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
一种应用于柔性超声器件的波束控制方法，所述波束控制方法具体包括，
将柔性医学器件阵列化；
基于阵列化的柔性医学器件，计算阵列化上每个子压电陶瓷在区域的曲率；
基于每个子压电陶瓷在区域的曲率，确定每个子压电陶瓷的延时信道；
基于每个子压电陶瓷的延时信道，在每个超声信号通道延迟聚焦于物体中的欲探测区域之后，在合并通道之前计算出最佳的成像效果。
所述合并通道在柔性传感器发生变形之后，通过控制发射时序与逻辑，并结合本方法，从采集层面尽可能消除伪影，提升柔性压电换能器的成像质量。
一种应用于柔性超声器件的波束控制方法，所述将柔性医学器件阵列化具体为，所述阵列化柔性医学器件为柔性换能器，所述柔性换能器的一个压电陶瓷由M个子压电陶瓷组成。
一种应用于柔性超声器件的波束控制方法，所述计算阵列化上每个压电陶瓷在区域的曲率具体为，M个压电陶瓷记录一个信号Rm(t)，则每个压电陶瓷在区域的曲率为Zm。
一种应用于柔性超声器件的波束控制方法，所述确定每个子压电陶瓷的延时信道具体为，被探测空间内分布N+1个散射体，其中每个散射体都会反射信号Sp(t)；假定只有S0(t)接收器的聚焦焦点，而其他反射体是干扰源；
dm，p是反射器p到传感器m的距离，δ(t)是脉冲激励函数-狄拉克函数，
Figure BDA0004061386110000052
是传感器m的延迟，Nm(t)是第m组压电陶瓷信号通道的噪声，*是卷积算子；
第m个延时信道被描述为：
Figure BDA0004061386110000051
一种应用于柔性超声器件的波束控制方法，所述在每个超声信号通道延迟聚焦于图像中的一个点之后，在合并通道之前计算出最佳的成像效果具体为，成像的空间测量的加权和B(t)将由下面的表达式计算而得；其中ω是第m组信号的权重；
Figure BDA0004061386110000061
因此只需通过数值方法求解以下条件，控制得到最优权重，并通过此方法来控制柔性阵列化压电器件的延时时序：
Figure BDA0004061386110000062
如图4所示，在给定曲率条件下中心频率为7.5MHz的64压电陶瓷阵列产生的声场声压级在同一时刻的传统超声声束控制效果与本发明实现的非中心轴线上焦点聚焦效果对比图。可以看到在传统超声算法中，聚焦斑点强度高的区域较为分散，这对时间紧凑型的超声成像系统是一个重大的弊端，由旁花瓣束产生的混响会极大的干扰成像结果；而本方案产生的声场声压级图形在聚焦区域产生的聚焦斑点强度高的区域相对集中，由此可见，本方法有利于提升超声图像的对比度，空间分辨率等性能参数。
一种应用于柔性超声器件的波束控制系统，所述系统包括
获取模块，用于采集阵列化的柔性医学器件每个压电陶瓷的信号Rm(t)；
计算模块，用于计算阵列化上每个子压电陶瓷在区域的曲率及确定每个子压电陶瓷的延时信道；
计算模块，还用于在合并通道之前计算出最佳的成像效果。
一种应用于柔性超声器件的波束控制系统，所述阵列化柔性医学器件为柔性换能器，所述柔性换能器的一个压电陶瓷由M个子压电陶瓷组成。
一种应用于柔性超声器件的波束控制系统，所述计算模块具体为，M个压电陶瓷记录一个信号Rm(t)，则每个压电陶瓷在区域的曲率为Zm；
被探测空间内分布N+1个散射体，其中每个散射体都会反射信号Sp(t)；假定只有S0(t)接收器的聚焦焦点，而其他反射体是干扰源；
dm，p是反射器p到传感器m的距离，δ(t)是脉冲激励函数-狄拉克函数，
Figure BDA0004061386110000064
是传感器m的延迟，Nm(t)是第m组压电陶瓷信号通道的噪声，*是卷积算子；
第m个延时信道被描述为：
Figure BDA0004061386110000063
成像的空间测量的加权和B(t)将由下面的表达式计算而得；其中ω是第m组信号的权重；
Figure BDA0004061386110000071
因此只需通过数值方法求解一下条件，控制得到最优权重：
Figure BDA0004061386110000072
图4的目标示意图，以1X4的阵列化柔性超声传感器在拥有不同曲率的空间曲面上进行超声成像为例，肉色区域为周围介质，红色区域为主要被探测区域。
图4为应用本方法后，可以让成像误差逐步降低。从采集层面尽可能消除误差伪影，提升柔性压电换能器的成像质量
一种电子设备，所述设备包括：处理器，以及存储有计算机程序指令的存储器，
所述处理器读取并执行所述计算机程序指令，以实现上述方法步骤。
一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述的方法步骤。

Claims (10)

1.一种应用于柔性超声器件的波束控制方法，其特征在于，所述波束控制方法具体包括，
基于每个子压电陶瓷在区域的曲率，确定每个子压电陶瓷的延时信道；
基于每个子压电陶瓷的延时信道，在每个超声信号通道延迟聚焦于物体中的欲探测区域之后，在合并通道之前计算出最佳的成像效果。
2.根据权利要求1所述一种应用于柔性超声器件的波束控制方法，其特征在于，所述柔性医学器件阵列化具体为，所述阵列化柔性医学器件为柔性换能器，所述柔性换能器的一个压电陶瓷由M个子压电陶瓷组成。
3.根据权利要求1所述一种应用于柔性超声器件的波束控制方法，其特征在于，计算阵列化上每个压电陶瓷在区域的曲率具体为，M个压电陶瓷记录一个信号Rm(t)，则每个压电陶瓷在区域的曲率为Zm。
4.根据权利要求1所述一种应用于柔性超声器件的波束控制方法，其特征在于，所述确定每个子压电陶瓷的延时信道具体为，被探测空间内分布N+1个散射体，其中每个散射体都会反射信号Sp(t)；假定只有S0(t)接收器的聚焦焦点，而其他反射体是干扰源；
dm，p是反射器p到传感器m的距离，δ(t)是脉冲激励函数-狄拉克函数，τm是传感器m的延迟，Nm(t)是第m组压电陶瓷信号通道的噪声，*是卷积算子；
第m个延时信道被描述为：
Figure FDA0004061386100000011
5.根据权利要求4所述一种应用于柔性超声器件的波束控制方法，其特征在于，所述在每个超声信号通道延迟聚焦于图像中的一个点之后，在合并通道之前计算出最佳的成像效果具体为，成像的空间测量的加权和B(t)将由下面的表达式计算而得；其中ω是第m组信号的权重；
Figure FDA0004061386100000012
因此只需通过数值方法求解以下条件，控制得到最优权重，并通过此方法来控制柔性阵列化压电器件的延时时序：
Figure FDA0004061386100000021
6.根据权利要求1所述一种应用于柔性超声器件的波束控制系统，其特征在于，所述系统包括，
获取模块，用于采集阵列化的柔性医学器件每个压电陶瓷的信号Rm(t)；
计算模块，用于计算阵列化上每个子压电陶瓷在区域的曲率及确定每个子压电陶瓷的延时信道；
计算模块，还用于在合并通道之前计算出最佳的成像效果。
7.根据权利要求6所述一种应用于柔性超声器件的波束控制系统，其特征在于，所述阵列化柔性医学器件为柔性换能器，所述柔性换能器的一个压电陶瓷由M个子压电陶瓷组成。
8.根据权利要求6所述一种应用于柔性超声器件的波束控制系统，其特征在于，所述计算模块具体为，M个压电陶瓷记录一个信号Rm(t)，则每个压电陶瓷在区域的曲率为Zm；
被探测空间内分布N+1个散射体，其中每个散射体都会反射信号Sp(t)；假定只有S0(t)接收器的聚焦焦点，而其他反射体是干扰源；
dm，p是反射器p到传感器m的距离，δ(t)是脉冲激励函数-狄拉克函数，τm是传感器m的延迟，Nm(t)是第m组压电陶瓷信号通道的噪声，*是卷积算子；
第m个延时信道被描述为：
Figure FDA0004061386100000022
成像的空间测量的加权和B(t)将由下面的表达式计算而得；其中ω是第m组信号的权重；
Figure FDA0004061386100000023
因此只需通过数值方法求解一下条件，控制得到最优权重：
Figure FDA0004061386100000024
9.一种电子设备，其特征在于，所述设备包括：处理器，以及存储有计算机程序指令的存储器，
所述处理器读取并执行所述计算机程序指令，以实现如权利要求1-5任意一项所述方法步骤。
10.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现如权利要求1-5任意一项所述的方法步骤。
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