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CN111671468B - 一种血管内超声单阵元换能器的异步聚焦动态补偿方法 - Google Patents

一种血管内超声单阵元换能器的异步聚焦动态补偿方法 Download PDF

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CN111671468B
CN111671468B CN202010467885.1A CN202010467885A CN111671468B CN 111671468 B CN111671468 B CN 111671468B CN 202010467885 A CN202010467885 A CN 202010467885A CN 111671468 B CN111671468 B CN 111671468B
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肖汝宁
万国强
高志兴
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Abstract

本发明提供了一种血管内超声单阵元换能器的异步聚焦动态补偿方法，其可有效改善血管内超声单阵元换能器异步聚焦时，对待测点信号强度检测产生干扰而造成探测结果失真的问题；其包括：S1、设定血管内壁中的待测点M，且单阵元换能器的运动轨迹是以O点为圆心、x为半径的圆，使得单阵元换能器在旋转运动轨迹的多个位置均能探测到待测点M；S2、获得待测点M总信号强度为
Figure ZY_1
S3、计算出单阵元换能器j位置与待测点M之间的距离
Figure ZY_2
其中，θ为单阵元换能器旋转运动轨迹上j位置及与待测点M之间的圆心角，d为待测点M到单阵元换能器旋转运动轨迹上最近距离的点与待测点M之间的距离；S4、联立公式
Figure ZY_3
从而求解出超声波从发出到被接收的准确时间
Figure ZY_4

Description

一种血管内超声单阵元换能器的异步聚焦动态补偿方法
技术领域
本发明涉及血管内超声聚焦技术领域，具体为一种血管内超声单阵元换能器的异步聚焦动态补偿方法。
背景技术
血管内超声(intravenous ultrasound，IVUS)是一种将无创性超声技术和微创性导管技术相结合的医学成像技术。
血管内超声单阵元换能器聚焦，是通过旋转超声导管末端的单阵元换能器从而改变其位置实现对周围360度空间的探测和成像，一种成像方式是不通过聚焦手段，直接采用单阵元换能器单次收发过程得到的回波信号建立图像信息，但由于单阵元换能器单次收发过程得到的回波信号相对比较微弱，因此获得的图像质量和分辨率都相对较低，对此进行的改进方式是组合利用这个单阵元换能器在不同空间位置获得回波信号，并按照超声聚焦的原理来增强获得的回波信号，可以取得比不聚焦更好的成像效果，而由于只有一个阵元换能器，所以在不同位置获得的回波信号，并不是同一时刻发生的，因此也被称之为异步聚焦；而在异步聚焦的算法实现中，常规的方式是根据预设的待测点，以换能器发出超声波为计时起点，计算在不同位置收到的预设的待测点位置返回的回波信号所需的时间，从而建立聚焦的计算方法，也就是说这种方法假定换能器在选定的空间位置处是静止的，即，发送超声波后，换能器并没有挪动位置，仍保持在发送超声波时的位置，然而实际上，单阵元换能器会持续以一个比较高的转速匀速的旋转，在发送超声波之后，此换能器继续转动，在其收到回波时刻，空间位置已经改变，那么由于假设和实际情形存在偏差，这导致基于假设所计算的在预设待测点收到回波的时间与实际情形存在显著的偏差，且这个时间的偏差会导致聚焦算法的性能下降；具体地，设定血管内壁中的待测点M，单阵元换能器在旋转轨迹的多个位置上均能探测到，则待测点M信号强度可表示为∑kiAi，其中Ai为换能器旋转到i位置时探测到的M点强度，ki为i位置测得的信号强度在总强度中的权重，获得∑kiAi的过程即为聚焦，超声换能器在每个位置发出超声信号后，均能接收到带有各待测点强度信息的回波信号，各点强度以回波到达时间为基准，顺序存储为数组，依据超声回波原理，现有技术中确定Ai的方式为，根据待测点M与换能器位置i之间的距离R得到超声回波时间t＝2R/v(v为超声传播速度)，进而提取出接收的回波信号强度数组中，与时间t相对应的强度数值Ai，但事实上超声导管末端的单阵元换能器在整个信号收发过程中都是一直在旋转的，当其在位置i处发出超声信号后会继续移动位置，并不会停在原处等待接收回波信号，因此超声信号从发出到被探测点反射回来的传输距离并不为2R，那么以此获得的Ai并不能够准确将对待测点的探测产生干扰，使得探测结果失真。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种血管内超声单阵元换能器的异步聚焦动态补偿方法，其可有效改善血管内超声单阵元换能器异步聚焦时，对待测点信号强度检测产生干扰而造成探测结果失真的问题。
其技术方案是这样的，一种血管内超声单阵元换能器的异步聚焦动态补偿方法，其特征在于：其包括以下步骤：
S1、设定血管内壁中的待测点M，且单阵元换能器的运动轨迹是以O点为圆心、x为半径的圆，使得单阵元换能器在旋转运动轨迹的多个位置均能探测到待测点M；
S2、待测点M总信号强度为
Figure SMS_1
其中Ai为单阵元换能器旋转到j位置时探测到的M点强度，ki为j位置测得的信号强度在总强度中的权重，j＝A、B、C、。。。，i＝1、2、3、。。。n；
S3、根据公式
Figure SMS_2
计算出单阵元换能器j位置与待测点M之间的距离R，其中，θ为单阵元换能器旋转运动轨迹上j位置及与待测点M之间的圆心角，d为待测点M到单阵元换能器旋转运动轨迹上最近距离的点与待测点M之间的距离；
S4、联立公式
Figure SMS_3
从而求解出超声波从发出到被接收的准确时间
Figure SMS_4
同时获得在j位置处探测到的与时间t相对应的M点强度Ai，从而计算出M点的准确强度
Figure SMS_5
其中，r为在单阵元换能器旋转运动轨迹上接收到回波信号的点位置与待测点M之间的距离，ω为单阵元换能器旋转角速度，v为超声传播速度，
Figure SMS_6
为单阵元换能器j位置与在单阵元换能器旋转运动轨迹上接收到回波信号的点位置之间的圆心角。
进一步地，单阵元换能器移动到3个位置，分别取j＝A、B、C，表示单阵元换能器分别从A、B、C三点处探测；
进一步地，B点垂直于待测点M，∠AOM＝θ，位置B点为待测点M与O点的连线和单阵元换能器运动轨迹的焦点，即运动轨迹上离待测点M最近的位置；
进一步地，超声波从发出到被接收的准确时间t的计算方法还包括以下步骤：
(a)、选取初始位置与A、B两点位置相同的两个点，记为A″与B″，随后取A″与B″之间运动轨迹中点，记为D，分别计算超声信号从A发出于D接收到回波信号的时间t1以及单阵元换能器从A旋转至D所需时间t2，其中令
Figure SMS_7
并代入公式(2)求解出r，则
Figure SMS_8
令
Figure SMS_9
代入公式(3)，即
Figure SMS_10
(b)、比较t1与t2大小，若t1＜t2，将位置D设置为新的位置B″，执行步骤(a)；若t1＞t2，将位置D设置为新的位置A″，执行步骤(a)；若t1＝t2,执行步骤(c)；
(c)、t＝t1＝t2，即为公式(3)中所求实际超声回波到达时间，并获得位置A处探测到的与时间t相对应的M点强度，同理获得位置B、C处探测到的M点强度，计算出M点的准确强度
Figure SMS_11
本发明有益效果是，其对血管内超声单阵元换能器异步聚焦时造成的待测点处图像失真现象做出了补偿，可获得超声波从发出到被接收的准确时间，从而提高了异步聚焦的性能以及图像质量。
附图说明
图1是本发明实施例一的单阵元换能器聚焦结构示意图；
图2是本发明实施例二的单阵元换能器聚焦结构示意图。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，一种血管内超声单阵元换能器的异步聚焦动态补偿方法，其包括以下步骤：
S1、设定图1中血管内壁中的待测点M，且单阵元换能器的运动轨迹是以O点为圆心、x为半径的圆，使得单阵元换能器在旋转运动轨迹的3个位置均能探测到待测点M；本实施例以三点为例，分别取j＝A、B、C，表示单阵元换能器分别从A、B、C三点处探测；而图1中以位置A为例，即选取j＝A，其它位置同理可类推；
S2、取待测点M的总信号强度为单阵元换能器分别从A、B、C三点处探测到的M点强度加权和
Figure SMS_12
其中Ai为单阵元换能器旋转到j位置时探测到的M点强度，即A1为单阵元换能器旋转到A位置时探测到的M点强度，A2为单阵元换能器旋转到B位置时探测到的M点强度，A3为单阵元换能器旋转到C位置时探测到的M点强度，ki为j位置测得的信号强度在总强度中的权重，而权重ki的具体确定方式可采用现有技术根据实际需求确定；i＝1、2、3；且B点垂直于待测点M，∠AOM＝θ，位置B点为待测点M与O点的连线和单阵元换能器运动轨迹的焦点，即运动轨迹上离待测点M最近的位置，B点的位置为可探测到待测点M点强度最强的点，所有超声回波到达时间t的求解过程均需以此点位置作为参考；
S3、根据公式
Figure SMS_13
计算出单阵元换能器A位置与待测点M之间的距离AM＝R，其中，θ为单阵元换能器旋转运动轨迹上j位置及与待测点M之间的圆心角∠AOM；d为待测点M到单阵元换能器旋转运动轨迹上最近距离的点与待测点M之间的距离，本实施例中选取的是B位置点与待测点M之间的距离MB＝d；
S4、联立公式
Figure SMS_14
从而求解出超声波从发出到被接收的准确时间
Figure SMS_15
同时获得在A位置处探测到的与时间t相对应的M点强度A1，同理可得到位置B、C处探测到的M点强度A2、A3，从而计算出M点的准确强度
Figure SMS_16
而在得到正确时间t后获得相对应位置处的M点强度属于现有技术，如在A位置处波长辐射范围内形成的强度集合内进行选取对应时间及位置的M点强度，在此专利中不再详细赘述；
其中，r为在单阵元换能器旋转运动轨迹上接收到回波信号的点A′位置与待测点M之间的距离A′M，ω为单阵元换能器旋转角速度，v为超声传播速度，
Figure SMS_17
为单阵元换能器A位置与在单阵元换能器旋转运动轨迹上接收到回波信号的点A′位置之间的圆心角∠AOA′。
实施例二
如图2所示，可在实际操作中结合折半查找法计算出超声波到达时间t，具体包括以下步骤：
(a)、选取初始位置与A、B两点位置相同的两个点，记为A″与B″，随后取A″与B″之间运动轨迹中点，记为D，分别计算超声信号从A发出于D接收到回波信号的时间t1以及单阵元换能器从A旋转至D所需时间t2，其中令
Figure SMS_18
并代入公式(2)求解出r，则
Figure SMS_19
令
Figure SMS_20
代入公式(3)，即
Figure SMS_21
(b)、比较t1与t2大小，若t1＜t2，将位置D设置为新的位置B″，执行步骤(a)；若t1＞t2，将位置D设置为新的位置A″，执行步骤(a)；若t1＝t2,执行步骤(c)；
(c)、t＝t1＝t2，即为公式(3)中所求实际超声回波到达时间，并获得位置A处探测到的与时间t相对应的M点强度A1，同理可得，单阵元换能器发出超声信号的位置为B或C时的折半查找处理流程，从而获得位置B，C处探测到的M点强度A2、A3，从而计算出M点的准确强度
Figure SMS_22
在上述计算过程中，A点与B点的位置在整个超声回波到达时间t的确定过程中均不能改变，每次折半过程t1均需要根据原始位置B和原始位置A确定，故设置A″与B″，其初始位置分别与A、B相同，每折半一次更新A″、B″的位置，用于确定D的位置。
综上，本发明提出的血管内超声单阵元换能器的异步聚焦动态补偿方法，能有效改善现有技术中，单阵元换能器异步聚焦时，会对待测点信号强度检测产生干扰，从而造成成像结果失真的问题；同时大大提高系统信噪比、成像分辨率以及图像质量。
本实施例一、二虽均以三点为例作出说明，但具体实施中并不局限于三点，可根据实际需要进行调整，调整后的方法任在本专利保护范围内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种血管内超声单阵元换能器的异步聚焦动态补偿方法，其特征在于：其包括以下步骤：
S1、设定血管内壁中的待测点M，且单阵元换能器的运动轨迹是以O点为圆心、x为半径的圆，使得单阵元换能器在旋转运动轨迹的多个位置均能探测到待测点M；
S2、待测点M总信号强度为
Figure QLYQS_1
其中Ai为单阵元换能器旋转到j位置时探测到的M点强度，ki为j位置测得的信号强度在总强度中的权重，j＝A、B、C、……，i＝1、2、3、……n；
S3、根据公式
Figure QLYQS_2
计算出单阵元换能器j位置与待测点M之间的距离R，其中，θ为单阵元换能器旋转运动轨迹上j位置及与待测点M之间的圆心角，d为待测点M到单阵元换能器旋转运动轨迹上最近距离的点与待测点M之间的距离；
S4、联立公式
Figure QLYQS_3
从而求解出超声波从发出到被接收的准确时间
Figure QLYQS_4
同时获得在j位置处探测到的与时间t相对应的M点强度Ai，从而计算出M点的准确强度
Figure QLYQS_5
其中，r为在单阵元换能器旋转运动轨迹上接收到回波信号的点位置与待测点M之间的距离，ω为单阵元换能器旋转角速度，v为超声传播速度，
Figure QLYQS_6
为单阵元换能器j位置与在单阵元换能器旋转运动轨迹上接收到回波信号的点位置之间的圆心角。
2.根据权利要求1的一种血管内超声单阵元换能器的异步聚焦动态补偿方法，其特征在于：单阵元换能器移动到3个位置，分别取j＝A、B、C，表示单阵元换能器分别从A、B、C三点处探测。
3.根据权利要求2的一种血管内超声单阵元换能器的异步聚焦动态补偿方法，其特征在于：B点垂直于待测点M，∠AOM＝θ，位置B点为待测点M与O点的连线和单阵元换能器运动轨迹的焦点，即运动轨迹上离待测点M最近的位置。
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