基于壓縮感知自適應(yīng)波束合成的脈沖逆轉(zhuǎn)諧波平面波快速造影成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于超聲造影成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于壓縮感知自適應(yīng)波束合成 的脈沖逆轉(zhuǎn)諧波（PIH-CSBF)平面波快速造影成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超聲造影成像是利用包膜微泡在聲場激勵(lì)下的強(qiáng)非線性響應(yīng)，以增強(qiáng)超聲對血流 的檢測能力，有效地從周圍組織中鑒別微血管分布的成像方式，可得到高分辨性能的微血 管造影圖像。它在實(shí)時(shí)描繪造影灌注的動(dòng)態(tài)分布過程，同時(shí)可從中提取與生理病理相關(guān)的 血流動(dòng)力學(xué)參量，使得心血管疾病與惡性腫瘤新生血管的早期診斷和血流灌注時(shí)相分析成 為可能，并在臨床廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的超聲造影成像技術(shù)采取的聚焦波逐條掃描成像方式，以 獲得對比度、分辨率較佳的造影圖像。但該掃描成像方式存在掃描線間延時(shí)導(dǎo)致的偽實(shí)時(shí) 成像、成像幀率難以提高以及在焦點(diǎn)區(qū)域?qū)υ煊拔⑴萜茐穆瘦^高的問題。雖然，可以通過降 低成像發(fā)射聲壓以減少造影微泡的破壞率、減少掃描線次數(shù)并降低成像深度以提高圖像幀 率；盡管如此，其改善依然是局限性的，未能從技術(shù)上突破，且以損失細(xì)節(jié)分辨率、信噪比為 代價(jià)。
[0003] 因此，為克服上述問題，近年興起了以平面波為發(fā)射方式的造影成像技術(shù)。但因平 面波發(fā)射聲壓較低缺乏焦點(diǎn)的問題，其成像造影組織比（Contrast-to-tissue ratio, CTR) 和分辨率受限，為此發(fā)展了多角度發(fā)射的相干復(fù)合平面波成像方法、脈沖逆轉(zhuǎn)微泡小波平 面波造影成像等方法，以提高造影圖像的CTR和分辨率，并在血流仿體、兔腎臟造影團(tuán)注成 像中應(yīng)用。遺憾的是，上述平面波造影成像方法均為離線處理方法，它們均采用延時(shí)疊加 (Delay and Sum，DAS)波束合成法。但DAS沒有考慮通道數(shù)據(jù)的差異，加權(quán)系數(shù)固定，其主 瓣寬度過寬，旁瓣高度過高，所得圖像質(zhì)量較差。為此就有上述脈沖逆轉(zhuǎn)微泡小波變換與多 角度發(fā)射相干復(fù)合平面造影成像技術(shù)的出現(xiàn)，以改善DAS所得造影圖像的圖像質(zhì)量。近期 有文獻(xiàn)顯示已有學(xué)者為了提高橫向分辨率和對比度，通過自適應(yīng)波束合成方法以改善DAS 的技術(shù)缺陷。
[0004] 盡管自適應(yīng)波束合成相比DAS可得到高分辨率的造影圖像，但其較復(fù)雜的算法引 入更多的計(jì)算量。在實(shí)際應(yīng)用中，為獲得高CTR與分辨率造影圖像而采用的多角度發(fā)射相 干復(fù)合與脈沖逆轉(zhuǎn)微泡小波變換造影成像方法聯(lián)合自適應(yīng)波束合成技術(shù)均極為復(fù)雜，在面 對成像系統(tǒng)高采樣率、平面波快速發(fā)射采集的極為龐大的數(shù)據(jù)量時(shí)，使得超快平面波造影 成像難以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。因此，如何在保證造影圖像CTR與分辨率的前提下，實(shí)現(xiàn)平面波造影實(shí) 時(shí)成像是本領(lǐng)域一大挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于壓縮感知自適應(yīng)波束合成的脈沖逆轉(zhuǎn)諧波平面 波快速造影成像方法。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：
[0007] 步驟一超聲陣列換能器按脈沖逆轉(zhuǎn)模式發(fā)射平面波，其交替發(fā)射相位分別為0° 相與180°相，計(jì)算機(jī)采集超聲陣列換能器陣元的0°相與180°相射頻回波信號XJt)與 Xl80 (t);
[0008] 步驟二將0°相與180°相射頻回波信號加和運(yùn)算所得射頻回波信號X(t)，依據(jù) 第i條待合成掃描線上的第d個(gè)目標(biāo)點(diǎn)空間位置與動(dòng)態(tài)孔徑N，對N個(gè)有效陣元通道數(shù)據(jù)延 時(shí)后得到加和延時(shí)時(shí)域信號X ld(t);
[0009] 步驟三對加和延時(shí)時(shí)域信號Xld (t)通過傅立葉變換轉(zhuǎn)換為頻域信號Xld (ω )，并選 取造影回波的諧波分量內(nèi)的頻點(diǎn)Xld ( ω k)，進(jìn)行按比率的壓縮隨機(jī)采樣抽取，得到壓縮采樣 后的造影諧波頻域信號
[0010] 步驟四通過構(gòu)造所選頻點(diǎn)
的穩(wěn)健自相關(guān)矩陣，計(jì)算該頻點(diǎn)所對應(yīng)的最小 方差自適應(yīng)波束合成的最優(yōu)加權(quán)系數(shù)Wld(COk)，從而得到該頻點(diǎn)的最優(yōu)波束合成的頻域輸 出
[0011] 步驟五按照步驟四遍歷所有抽取的造影諧波頻點(diǎn)
并由多點(diǎn)欠定系統(tǒng)聚 焦求解（RM-F0CUSS)算法重建諧波分量的頻域信息，然后重建第i條掃描線的頻域信息 Yi (ω);
[0012] 步驟六按掃描線波束合成次序，重復(fù)步驟二~步驟五得到所有掃描線的頻域信息 Y ( ω )，并將加和射頻數(shù)據(jù)的頻域信息Y ( ω )通過逆傅立葉變換變換到時(shí)域，得到Y(jié)⑴，對 Y(t)進(jìn)行包絡(luò)檢波、對數(shù)壓縮、坐標(biāo)變換等圖像后處理得到高質(zhì)量的平面波造影圖像。
[0013] 具體步驟如下：
[0014] 一、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案步驟一，具體步驟如下：
[0015] 1)超聲陣列換能器按脈沖逆轉(zhuǎn)模式交替發(fā)射中心頻率為f。的一對相位相反的平 面波，其相位分別為0°相與180°相，探頭工作頻率f。范圍：2. OMHz~5. OMHz ;
[0016] 2)計(jì)算機(jī)采集超聲陣列換能器陣元的0°相與180°相射頻回波信號XJt)與 Xl80 (t);
[0017] 3)其成像特征為，合成一副平面波造影圖像，僅需發(fā)射2次，即：一對相位相反的 平面波。
[0018] 二、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案步驟二，具體步驟如下：
[0019] 1)將0°相與180°相的射頻回波信號XJt)與X1S(](t)在整個(gè)時(shí)域加和運(yùn)算得到 射頻回波信號X⑴，X⑴=X。(t) +X1S。⑴；
[0020] 2)選定第i條（1彡i彡128~256)待合成掃描線上目標(biāo)點(diǎn)并根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)與中心 陣元垂直距離計(jì)算波束合成的有效陣元數(shù)大小N，并選定陣元；
[0021] 3)根據(jù)第i條待合成掃描線上第d個(gè)目標(biāo)點(diǎn)與N個(gè)陣元相對位置，對N個(gè)陣 元通道接收信號計(jì)算每一個(gè)通道的信號延時(shí)時(shí)間i id，Tid= [T1 τ2~τΝ]τ，其中， D-D --1為第j個(gè)陣元的延時(shí)時(shí)間，D1為第j個(gè)陣元到目標(biāo)點(diǎn)距離，D。為目標(biāo)點(diǎn)中心 ' G 陣元到目標(biāo)點(diǎn)距離，c為組織中聲速，j = 1，2, 3, ...，N ;
[0022] 4)根據(jù)第d個(gè)待合成目標(biāo)點(diǎn)與N個(gè)陣元相對位置，對N個(gè)陣元對應(yīng)射頻回波信號 X(t)按Tid依次延時(shí)，得到延時(shí)后列向量信號Xid (t) =X (t_ Tid)，Xid (t) = [X1U) X2⑴ …xN(t)]T〇
[0023] 三、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案步驟三，具體步驟如下：
[0024] 1)對延時(shí)后時(shí)域信號Xld(t)進(jìn)行傅里葉變換，得到頻域信號Xld(co)，X id(Co)=
[0025] 2)對造影回波的頻域信號Xld(Co)進(jìn)行2f。諧波濾波，對諧波分量ω k內(nèi)的頻點(diǎn)構(gòu) 成維數(shù)為kXN的諧波信號Xld(?k)，其有效帶寬為I. 4f。~2. 6f。，k為有效帶寬內(nèi)的頻點(diǎn) 數(shù)；
[0026] 3)基于該頻點(diǎn)數(shù)k，構(gòu)造 k階的主對角線元素為1、其余為0的壓縮隨機(jī)抽取矩陣 T，抽取比例為30%~40% ;
[0027] 4)對Xld(Qk)按行進(jìn)行隨機(jī)抽?。?br>抽取比例為30%~ 40 %，得到壓縮采樣后的造影諧波頻域信號
[0028] 四、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案步驟四，具體步驟如下：
[0029] 1)通過構(gòu)造所選頻點(diǎn)
的穩(wěn)健自相關(guān)矩陣，計(jì)算該頻點(diǎn)所對應(yīng)的最小方差 自適應(yīng)波束合成的最優(yōu)加權(quán)系數(shù)wid(c〇k);
[0030] 2)對于
中的頻點(diǎn)，把有效陣元數(shù)為N的陣列分為LX k、總數(shù)為Ν-L+l的 子陣
[0031] 3)將所有子陣
與其對應(yīng)的最優(yōu)加權(quán)系數(shù)Wld(Wk)依次點(diǎn)乘求和并平均， 得到該頻點(diǎn)的最優(yōu)波束合成的頻域輸出

[0034] 五、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案中，基于最小方差自適應(yīng)波束合成的最優(yōu)加權(quán)系數(shù) Wid(Uk)的計(jì)算方法，具體步驟如下：
[0035] 1)基于互相關(guān)原理，構(gòu)造所選頻?
的穩(wěn)健自相關(guān)矩陣

[0037] 其中，[]Η表示矩陣的共輒轉(zhuǎn)置，Rld(Cok)為
I.的自相關(guān)矩陣：
[0039] 其中，A為長度為L的1維單位向量;AAHRld (ω k) AAhA) 2為造影回波所選頻點(diǎn)
的主信號能量項(xiàng)；
[0040] 2)利用自相關(guān)矩陣
！和單位向量A計(jì)算最優(yōu)加權(quán)系數(shù)wld(co k):
[0042] 其中，[]1表示矩陣的逆，為避免
.求逆運(yùn)算出現(xiàn)不穩(wěn)定性，將
奇異值分解出現(xiàn)的負(fù)特征值替換為分解所得的最小正值特征解；同時(shí)，從Rld(?k)中減掉
的主信號能量項(xiàng)，以增引
的穩(wěn)健性。
[0043] 六、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案步驟五，具體步驟如下：
[0044] 1)重復(fù)步驟四，計(jì)算第i條待合成掃描線上所有抽取頻點(diǎn)的最優(yōu)波束合成的頻域 信號輸吐
[0045] 2)構(gòu)建kXk的傅里葉基F作為稀疏基，利用下式：
[0047] 因抽取矩陣T與傅里葉基F相乘矩陣不滿秩，故采用RM-FO⑶SS算法和構(gòu)建的抽 取矩陣T與傅里葉基F，從陣元矩陣| ;(叫)中估計(jì)出稀疏投影系數(shù)向量Id1 (ω k);
[0048] 3)由yi ( ω k) = Fb1 ( ω k)計(jì)算陣元輸出所有有效帶寬內(nèi)的最優(yōu)波束合成的頻域信 號輸