基于多角度相干復(fù)合的超聲平面波成像

●何緒金

基于多角度相干復(fù)合的超聲平面波成像

●何緒金

平面波超聲成像采用平面波發(fā)射，單次發(fā)射即可覆蓋整個(gè)成像區(qū)域，相較于傳統(tǒng)的線掃聚焦超聲，能極大的減少一幀圖像的發(fā)射次數(shù)，從而顯著的提升掃查幀率，但單次發(fā)射得到的平面波圖像的分辨率和信噪比是嚴(yán)重下降的。本文提出的采用多角度平面波相干復(fù)合成像的方法，通過增加復(fù)合角度數(shù)目，可以有效提升圖像的分辨率和信噪比，和常規(guī)聚焦波相比，在圖像質(zhì)量相當(dāng)?shù)那闆r下，幀率有極大提高。

超聲成像；平面波；信噪比；分辨率；幀率；相干復(fù)合

1 引言

超聲成像以其無創(chuàng)性、安全、成像速度快、使用方便等優(yōu)勢在臨床診斷中大量被采用，是臨床診斷的重要工具之一。超聲成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取速度主要受聲波在組織內(nèi)部的傳播速度的限制，目前傳統(tǒng)的超聲系統(tǒng)中，形成一幀超聲圖像的發(fā)射次數(shù)直接受限于一幀掃查區(qū)域范圍內(nèi)包含的掃描線數(shù)。一幀圖像包含的線數(shù)一般在100-200線左右，整個(gè)超聲系統(tǒng)的幀率被限制在每秒鐘20到50幀左右。而若能夠提升整個(gè)超聲成像系統(tǒng)的幀率，將大大的拓展超聲成像在臨床領(lǐng)域的應(yīng)用前景，比如實(shí)時(shí)3D成像，能夠提供足夠的卷率；如心臟成像，高幀率能夠改善在一個(gè)心動周期內(nèi)對心肌運(yùn)動的捕捉和跟蹤能力；此外還能夠?qū)崿F(xiàn)組織內(nèi)瞬變效應(yīng)（如彈性成像中的剪切波的傳播過程）的可視化。可見超高速超聲成像的應(yīng)用前景是非常廣闊的。

超高速超聲成像的歷史可以追溯到1978年，Delannoy等提出并行處理方法根據(jù)一次超聲發(fā)射來得到一整幀圖像，他們的系統(tǒng)在一幀圖像有70條掃描線的情況下能夠達(dá)到每秒鐘1000幀的幀率[1][2]。Shattuck等在1984年實(shí)現(xiàn)了可用于相控陣掃描方式的并行處理方式，他們的系統(tǒng)采用一次非聚焦聲束發(fā)射對應(yīng)4個(gè)超聲波束并行處理的接收模式，該方法的有效性得到了生物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證[3][4]。在首次成功嘗試以后，他們將整個(gè)成像方法的思路進(jìn)一步拓展：假設(shè)單次發(fā)射脈沖能夠照射到全部的感興趣區(qū)域，這種并行處理方法理論上可以利用此次發(fā)射的回波信號對整個(gè)感興趣區(qū)域進(jìn)行成像，這正是平面波實(shí)現(xiàn)超高速超聲成像的原理。1990年，F(xiàn)ink等成功應(yīng)用了平面波理論，使得超聲成像的幀率高于每秒鐘5000幀[5][6][7]。進(jìn)入20世紀(jì)以后，基于平面波發(fā)射實(shí)現(xiàn)高速超聲成像的技術(shù)引起了廣泛的關(guān)注和研究。

和聚焦波相比，平面波能夠很大幅度提升幀率，但這是以犧牲圖像質(zhì)量為代價(jià)的。單次平面波發(fā)射所獲得的圖像存在橫向分辨率差和中遠(yuǎn)場信噪比低的問題，這大大束縛了平面波進(jìn)入實(shí)際臨床應(yīng)用的腳步。本文采用多角度平面波相干復(fù)合成像方法，發(fā)射多個(gè)不同偏轉(zhuǎn)角度的平面波，采集各次平面波發(fā)射的回波信號進(jìn)行波束合成，然后進(jìn)行相干復(fù)合，輸出數(shù)據(jù)給后續(xù)的一系列信號處理環(huán)節(jié)（B模式的包絡(luò)檢測、Color模式的自相關(guān)以及DSC等）并得到最終圖像。實(shí)驗(yàn)表明，一定角度數(shù)目的相干復(fù)合能夠達(dá)到和聚焦波圖像質(zhì)量相當(dāng)?shù)男Ч以诖饲疤嵯缕矫娌ǖ膸嗜匀痪哂酗@著優(yōu)勢。

2 平面波多角度合成理論研究

傳統(tǒng)的超聲成像是通過發(fā)射多次聚焦波束照射組織來成像，如圖1a所示，以單波束接收為例，聚焦波每獲得一根接收線需要付出一次發(fā)射的代價(jià)，如果一幀圖像有N根掃描線，則要形成一幀圖像共需發(fā)射N次；而在平面波成像模式下，如圖1b所示，同時(shí)激勵(lì)換能器所有陣元，產(chǎn)生一個(gè)平行于換能器的超聲平面波，此平面波產(chǎn)生的聲場能夠有效覆蓋所有感興趣區(qū)域，經(jīng)組織散射后，所有陣元也同時(shí)接收回波信號，通過這些回波信號就可以得到整個(gè)區(qū)域的超聲圖像。因此平面波只需要進(jìn)行一次發(fā)射即可得到一幀圖像，和聚焦波相比，發(fā)射次數(shù)降為了1/N。即使聚焦波采用雙波束、四波束等多波束并行處理技術(shù)，平面波在減少發(fā)射次數(shù)方面的優(yōu)勢仍然是非常可觀的。

圖1 聚焦波和平面波成像模式對比

由于單一角度平面波沒有聚焦效果，成像對比度和信噪比低，因此，我們通過發(fā)射一系列不同偏轉(zhuǎn)角度的平面波，將這些不同角度發(fā)射得到的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行波束合成，然后再相干疊加來提升最終一幀圖像的對比度和信噪比。

圖2 平面波傳播時(shí)間示意圖[8]

將線陣探頭置于感興趣介質(zhì)上方（直接與介質(zhì)表面接觸）。圖2[8]給出了平面波傳播時(shí)間示意圖，圖中x方向?yàn)槌晸Q能器陣列平行方向，z方向?yàn)槌上窠橘|(zhì)的深度方向。平面波成像時(shí)，系統(tǒng)通過特定時(shí)間差的超聲脈沖激勵(lì)各個(gè)換能器使其發(fā)出平面波，平面波進(jìn)入成像介質(zhì)后會發(fā)生散射，換能器陣列接收到被散射回的超聲波信號，如圖2(b)所示，記x1位置處的換能器接收到的回波信號為RF(x1,t)，對于偏轉(zhuǎn)角度為α的平面波，超聲波由換能器發(fā)出到達(dá)點(diǎn)(x,z)，然后再經(jīng)此點(diǎn)介質(zhì)散射回到x1位置處換能器的時(shí)間為：

上式中c表示超聲波在介質(zhì)中的傳播速度（假設(shè)聲速為恒定不變的）。對于無偏轉(zhuǎn)情況，即α=0，代入上式中可得到：

對應(yīng)于成像介質(zhì)中的點(diǎn)(x,z)，單次平面波發(fā)射（偏轉(zhuǎn)角度為α）獲得的一幀圖像為將x方向上各個(gè)位置處換能器獲得的信號經(jīng)過延遲疊加起來的結(jié)果，用公式表達(dá)如下：將不同偏轉(zhuǎn)角度下得到的圖像結(jié)果進(jìn)行相干疊加能夠提升最終平面波成像的質(zhì)量。我們選用一系列不同的發(fā)射偏轉(zhuǎn)角度αi(i=1,…,n)，對每一個(gè)特定的偏轉(zhuǎn)角度，按照上述的方法可以得到一幅輸出圖像然后將這n副輸出圖像疊加起來即可得到最終平面波成像的圖像：

在各次偏轉(zhuǎn)角度對應(yīng)的子圖像疊加之前未進(jìn)行任何非線性的處理，因此最終的疊加過程是相干疊加。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了更直觀的將平面波成像和傳統(tǒng)聚焦波成像進(jìn)行對比，我們使用線陣探頭分別采用平面波和聚焦波兩種方式對超聲體模進(jìn)行成像，然后對成像結(jié)果進(jìn)行定量分析。

線陣探頭為192陣元，陣元間距為0.2mm，用于成像的超聲波中心頻率為7.5MHz，橫向線間距為0.2mm。聚焦波發(fā)射孔徑為46，聚焦深度為25mm，一幀共發(fā)射83次；平面波發(fā)射孔徑為192，無聚焦，發(fā)射偏轉(zhuǎn)角度為-5°到5°范圍內(nèi)等間距的17個(gè)角度。如下圖3所示，3a為傳統(tǒng)聚焦波圖像，3b為17個(gè)角度平面波圖像。彩色的取樣框表示計(jì)算不同深度靶點(diǎn)信噪比和橫向分辨率的取樣范圍。

圖3 聚焦波和平面波對超聲體模靶點(diǎn)成像結(jié)果

圖4 聚焦波和平面波成像結(jié)果信噪比和橫向分辨率對比

分別計(jì)算這兩種成像模式下不同深度靶點(diǎn)處的信噪比和靶點(diǎn)的-20db寬度，取各深度結(jié)果的中位數(shù)作為整體平均指標(biāo)，將兩種模式的平均指標(biāo)進(jìn)行對比，得到的結(jié)果如圖4所示：4a中藍(lán)色曲線顯示的是平面波信噪比與聚焦波信噪比之差（單位db），其中橫軸為平面波相干疊加的角度數(shù)目。可見隨著角度數(shù)目的增加，平面波的信噪比是在逐漸提升的，角度數(shù)目為9時(shí)平均信噪比能夠達(dá)到和聚焦波相當(dāng)?shù)男Ч^續(xù)提升復(fù)合角度數(shù)目能夠得到優(yōu)于傳統(tǒng)聚焦波的信噪比；4b中顯示的是平面波靶點(diǎn)-20db寬度與聚焦波靶點(diǎn)-20db寬度的比值，橫軸為平面波相干疊加的角度數(shù)目。可見隨著角度數(shù)目增加，靶點(diǎn)-20db寬度隨之減小（對應(yīng)圖像橫向分辨率的提升），當(dāng)平面波角度數(shù)目增加到17時(shí)，能夠獲得與傳統(tǒng)聚焦波相當(dāng)?shù)臋M向分辨率。

由以上結(jié)果可知，多角度相干復(fù)合能夠有效提升平面波圖像質(zhì)量，增加相干復(fù)合角度數(shù)對圖像信噪比和橫向分辨率都有顯著提升效果。平面波成像發(fā)射9個(gè)不同角度即可達(dá)到聚焦波（發(fā)射83次）相同的信噪比；平面波成像發(fā)射17個(gè)不同角度即可達(dá)到聚焦波（發(fā)射83次）相當(dāng)?shù)臋M向分辨率。可見，在圖像質(zhì)量達(dá)到與聚焦波相當(dāng)?shù)男Ч拢矫娌ǔ上裨诎l(fā)射次數(shù)上具有明顯優(yōu)勢，而發(fā)射次數(shù)減少的直接結(jié)果就是超聲成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集幀率的提升。

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)聚焦波逐線掃描成像相比，平面波成像技術(shù)發(fā)射一次就可以獲得一幀圖像。將多個(gè)不同偏轉(zhuǎn)角度下的平面波發(fā)射獲得的信號相干復(fù)合可以有效提升平面波圖像的橫向分辨率和信噪比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，9個(gè)角度的相干疊加即可達(dá)到與聚焦波相當(dāng)?shù)男旁氡龋?7個(gè)角度的相干疊加可達(dá)到與聚焦波相當(dāng)?shù)臋M向分辨率，而與聚焦波要形成一幀圖像所需的83次發(fā)射相比，平面波的發(fā)射次數(shù)顯著減少。。

多角度相干復(fù)合能夠在保持幀率優(yōu)勢的前提下有效提升平面波成像的圖像質(zhì)量，使其能夠應(yīng)用于對時(shí)間分辨率要求較高的臨床應(yīng)用場景，基于多角度相干復(fù)合的超聲平面波技術(shù)將進(jìn)一步促進(jìn)超聲成像在各臨床應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。

（作者單位：深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司）

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