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CN119074058A - 一种基于虚拟源合成孔径的频域骨骼超声成像方法 - Google Patents

一种基于虚拟源合成孔径的频域骨骼超声成像方法 Download PDF

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CN119074058A
CN119074058A CN202411212480.8A CN202411212480A CN119074058A CN 119074058 A CN119074058 A CN 119074058A CN 202411212480 A CN202411212480 A CN 202411212480A CN 119074058 A CN119074058 A CN 119074058A
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刘成成
谢林儒
韩帅
他得安
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Fudan University
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Fudan University
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Abstract

本发明涉及一种基于虚拟源合成孔径的频域骨骼超声成像方法，方法包括以下步骤：S1、向骨骼发射N次超声波信号并采集回波信号；S2、提取骨骼上下界面回波信号延时；S3、建立声速模型；S4、获取回波频域波场和发射频域波场；S5、逐次处理N次发射采集得到的回波信号，得到每次发射的子帧图像；S6、将多个子帧图像叠加得到最终骨骼图像。与现有技术相比，本发明具有提高中间骨骼下表面图像的清晰度的同时校正由软组织和骨骼声速导致的相位畸变等优点。

Description

一种基于虚拟源合成孔径的频域骨骼超声成像方法
技术领域
本发明涉及超声成像领域，尤其是涉及一种基于虚拟源合成孔径的频域骨骼超声成像方法。
背景技术
超声成像技术具有无损、便携和快速等特点，在生物软组织(如肌肉、血液、脏器等)成像诊断方面具有重要的应用。然而，骨骼硬组织为超声成像难点与挑战。一方面，骨骼是一种具有高声阻抗特性的不均匀组织，骨骼中超声传播衰减大，骨骼超声成像深度受限，传统方法难以重建骨骼真实形态；另一方面，由于骨骼与软组织(肌肉及骨髓等)声速差异大，超声传播相位畸变严重，传统波束形成难以获得准确结果，导致骨骼超声图像失真。
发明内容
本发明的目的就是为了提高中间骨骼下表面图像的清晰度的同时校正由软组织和骨骼声速导致的相位畸变提供准确的骨厚度，并降低骨骼图像计算复杂度而提供的一种基于虚拟源合成孔径的频域骨骼超声成像方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于虚拟源合成孔径的频域骨骼超声成像方法，方法包括以下步骤：
S1、采用阵元数目为N的线性探头，采用虚拟源合成孔径的发射方式，向骨骼发射N次超声波信号并采集回波信号；
S2、基于所述回波信号，结合小波变换提取骨骼上下界面回波信号延时；
S3、根据回波信号延时和骨骼先验声速，获取骨骼上下界面深度，从而建立声速模型；
S4、将整个成像空间进行网格划分，并将步骤S1得到的深度z＝0处的回波信号pr(t,x,z0)和发射信号pT(t,x,z0)转换到频域，得到z＝0处的回波频域波场Pr(ω,kx,z0)和发射频域波场PT(ω,kx,z0)，其中，t代表时刻，(x,z)代表成像区域点坐标，ω代表频率，kx代表X方向上波数矢量的波数分量，z0表示深度z＝0；
S5、逐次处理N次发射采集得到的回波信号，通过二维傅里叶变换得到回波信号的频域波场Pr(ω,kx,z0)，将回波频域波场Pr(ω,kx,z0)和发射频域波场PT(ω,kx,z0)逐步外推获得不同深度的回波频域波场Pr(ω,kx,z)和发射频域波场PT(ω,kx,z)，得到不同深度的图像信息，将不同深度的图像信息组合得到每次发射的子帧图像；
S6、将多个子帧图像叠加得到最终骨骼图像。
进一步地，S1的具体步骤为：
探头采用阵元数目为N的线性探头，采用虚拟源合成孔径的发射方式，设定发射参数，每次发射以不同阵元为中心，采取多阵元延时发射的方式向骨骼内部发射超声波，全部阵元同时接收回波信号，共发射N次。
进一步地，所述发射参数包括发射孔径大小、中心频率、采样频率以及发射时延，所述发射孔径大小和发射阵元数目由虚拟源聚焦深度和F数决定，具体为：
其中，L表示激励孔径大小，D表示虚拟源聚焦深度，F为F数。
进一步地，S3的具体步骤为：
S3-1、利用测距原理确定骨骼上表面的空间位置，获得双层声速模型；
S3-2、结合骨骼下界面回波延时和骨骼先验声速确定下表面的空间位置，进而获得三层声速模型。
进一步地，声速模型中下表面以下和上表面以上是水介质。
进一步地，S4中声速模型和成像空间按照相同的网格大小进行网格划分。
进一步地，S5的步骤为：
S5-1、将回波频域波场Pr(ω,kx,z0)和发射频域波场PT(ω,kx,z0)逐步外推，获得不同深度的回波频域波场Pr(ω,kx,z)和发射频域波场PT(ω,kx,z)，其中深度为z的频域波场通过深度为z-1的频域波场计算得到；
S5-2、基于计算不同深度的回波频域波场Pr(ω,kx,z)和发射频域波场PT(ω,kx,z)的相关性计算不同深度的图像信息，将不同深度的图像信息组合得到每次发射的子帧图像。
进一步地，深度为z的频域波场为：
其中，i为复数分量，Δz为深度步长，P表示回波频域波场或发射频域波场。
进一步地，所述子帧图像为：
其中，Iui表示第ui次发射的子帧图像，x表示x方向。
进一步地，S4中，基于傅里叶变换将步骤S1得到的深度z＝0处的回波信号pr(t,x,z0)和发射信号pT(t,x,z0)转换到频域。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用虚拟源合成孔径发射模式，拥有更高的入射能量，能更清楚中间骨骼下表面；与此同时相位偏移算法结合构建的先验声速模型，能校正由软组织和骨骼声速导致的相位畸变提供准确的骨厚度；且相位偏移算法具有更低的计算复杂度，基于矩阵的运算形式适用于并行运算，具有实现实时成像的潜力。
附图说明
图1是本发明的虚拟源孔径大小与虚拟源聚焦深度、F数的关系示意图；
图2是本发明的实施例中通过小波变换提取骨骼上下界面回波s时延示意图；
图3是本发明的实施例中基于回波时延和发射参数构建得到的三层声速模型示意图；
图4是本发明的流程图；
图5是本发明的实施例中实验结果的示意图，其中图5(a)为传统合成孔径未结合声速模型的结果，图5(b)为传统合成孔径结合三层声速模型的结果，图5(c)为虚拟源合成孔径未结合声速模型的结果，图5(d)为虚拟源合成孔径结合三层声速模型的结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
为实现对骨骼上下界面的准确成像，本发明提出一种基于虚拟源合成孔径的频域骨骼超声成像方法，方法的流程图如图4所示，本发明包括以下步骤：
S1、采用阵元数目为N的线性探头，采用虚拟源合成孔径的发射方式，向骨骼发射N次超声波信号并采集回波信号；
S2、基于所述回波信号，结合小波变换提取骨骼上下界面回波信号延时；
S3、根据回波信号延时和骨骼先验声速，获取骨骼上下界面深度，从而建立声速模型；
S4、将整个成像空间进行网格划分，并将步骤S1得到的深度z＝0处的回波信号pr(t,x,z0)和发射信号pT(t,x,z0)，通过二维傅里叶变换，转换到频域和波数域，得到z＝0处的回波频域波场Pr(ω,kx,z0)和发射频域波场PT(ω,kx,z0)，其中，t代表时刻，(x,z)代表成像区域点坐标，ω代表频率，kx代表x方向上波数矢量的波数分量，z0表示深度z＝0；
S5、逐次处理N次发射采集得到的回波信号，将回波频域波场Pr(ω,kx,z0)和发射频域波场PT(ω,kx,z0)逐步外推获得不同深度的回波频域波场Pr(ω,kx,z)和发射频域波场PT(ω,kx,z)，得到不同深度的图像信息，将不同深度的图像信息组合得到每次发射的子帧图像；
S6、将多个子帧图像叠加得到最终骨骼图像。
S1中，探头采用阵元数目为N的线性探头，采用虚拟源合成孔径的发射方式，设定发射参数(包括发射孔径大小、中心频率、采样频率以及发射时延等)，每次发射采取多阵元延时发射的方式向骨骼内部发射超声波，全部阵元同时接收回波信号，共发射N次。
步骤S1中虚拟源孔径大小以及发射阵元数目由虚拟源聚焦深度和F数决定(见图1)，其表达式为：
L表示激励孔径大小，D表示虚拟源聚焦深度，F为F数。
S2中，结合小波变换具有提取特征的特性，对回波信号进行处理，提取出骨骼上下界面回波信号延时。回波信号延时如图2所示。
S3中，提取回波延时，结合采样频率和骨骼先验声速，获取骨骼上下界面大概的位置，进而建立三层声速模型。
在已知骨骼声速的前提下，步骤S3中通过以下步骤获得声速模型：
步骤S3-1，利用测距原理d＝v水t/2确定骨骼上表面的空间位置，其中v水为水声速；
步骤S3-2，在S3-1的前提下，结合骨骼下表面的时延和已知的骨骼声速v骨确定下表面的空间位置，进而获得双层声速模型。并假定下表面以下是水介质，进而获得三层声速模型(见图3)。
S4中，将整个成像空间进行网格划分，并将步骤S1得到的深度z＝0处的回波信号pr(t,x,z0)和发射信号pT(t,x,z0)转换到频域Pr(ω,kx,z0)和PT(ω,kx,z0)，其中t代表时刻，(x,z)代表成像区域点坐标，ω代表频率，kx代表X方向上波数矢量的波数分量。S4中对成像区域划分的网格与声速模型网格大小相同。
S5中，子帧图像通过相位偏移法结合声速模型重建获得，逐次处理N次发射采集得到数据。将z＝0处的频域波场Pr(ω,kx,z0)和PT(ω,kx,z0)逐步外推获得不同深度的频域波场Pr(ω,kx,z)和PT(ω,kx,z)，进一步计算两者的相关性获得子帧图像Ii(x,z)。
S5包括以下步骤：
步骤S5-1，深度为z的频域波场可通过z-1的频域波场计算可得，表达式为：
其中i为复数分量，Δz为深度步长。基于上述公式可以得知，可通过z＝0处的频域波场逐步长计算得到不同深度的频域波场信息Pr(ω,kx,z)和PT(ω,kx,z)；
步骤S5-2，图像中不同深度网格的图像信息可由接收声场与发射声场的相关性计算得到，表达式为：
将不同深度的图像信息组合得到第ui次发射的子帧图像
S6中，将重建得到的N个子帧图像叠加得到最终图像I(x，z)。
下面进行实际的实验：
选取牛股骨作为离体实验对象，在实验中牛股骨浸没在水箱中。经脉冲回波法测量得到，牛股骨声速为3219m/s，其中水的声速为1500m/s，与软组织声速较为相似。实验中采用阵元数目为128的线性阵列进行信号采集，采样频率为25MHz。
图4是本发明的实施例中基于虚拟源合成孔径的骨超声成像方法流程框图，主要包括如下步骤：
执行步骤S1，预先设定虚拟源发射模式的聚焦深度为-20mm，F数为1.5，可得发射孔径宽度为13.3mm，激励阵元个数为39。虚拟源发射模式每次发射以不同阵元为中心，采取多阵元延时发射、全阵元同时接收的方式采集信号，共发射128次。
执行步骤S2，结合小波变换与回波信号提取得到骨骼上表面回波延时在27.8μs附近，骨骼下表面回波延时在32.9μs附近。
执行步骤S3，根据采集频率和骨骼上下表面的回波时延建立水-骨骼-水三层介质声速模型，如图3所示。
执行步骤S4，将成像区域离散网格化，尺寸为400*128，并对接收信号与发射信号进行傅里叶变换得到频域波场。
执行步骤S5，采用相位偏移算法计算不同深度的频域波场，并计算发射波场与接收波场的相关性得到不同深度的图像信息，进一步组合得到子帧图像。
执行步骤S6，叠加不同子帧图像得到最终图像。
图5本发明实施例中离体实验结果的示意图，图5(a)为传统合成孔径未结合声速模型的结果，图5(b)为传统合成孔径结合三层声速模型的结果，图5(c)为虚拟源合成孔径未结合声速模型的结果，图5(d)为虚拟源合成孔径结合三层声速模型的结果。对比图5(a、b)和图5(c、d)，可以看出相较传统合成孔径的结果，虚拟源合成孔径的重建结果中骨骼下表面要更清楚可见。对比图5(a、c)和图5(b、d)，未采用声速模型的结果图中(图5(a、c))股骨呈现“扁平状”，相比之下，采用声速模型的结果图中(图5(b、d))股骨更接近于真实的股骨的形态。经测量得到实际骨厚度约为7.5mm，虚拟源合成孔径未结合声速模型结果(图5(c))中股骨厚度为3.9mm，相对误差为48.0％；虚拟源合成孔径结合声速模型结果(图5(d))中股骨厚度为7.2mm，相对误差为4.0％。
本发明的目的在于提供一种能准确重建骨骼形态的超声成像方法。本发明的特点和优势在于采用虚拟源合成孔径发射模式，拥有更高的入射能量，能更清楚中间骨骼下表面；与此同时相位偏移算法结合构建的先验声速模型，能校正由软组织和骨骼声速导致的相位畸变提供准确的骨厚度；且相位偏移算法具有更低的计算复杂度，基于矩阵的运算形式适用于并行运算，具有实现实时成像的潜力。
本发明具有以下优点：
(1)本发明采用虚拟源合成孔径的发射模式，单次发射激励多个阵元，拥有更高的入射能量，能更清楚重建深处的图像信息；
(2)本发明采用相位偏移算法，结合声速模型可以校正由软组织与骨骼声速差异过大带来的相位畸变，对骨骼内部进行准确成像。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于虚拟源合成孔径的频域骨骼超声成像方法，其特征在于，方法包括以下步骤：
S1、采用阵元数目为N的线性探头，采用虚拟源合成孔径的发射方式，向骨骼发射N次超声波信号并采集回波信号；
S2、基于所述回波信号，结合小波变换提取骨骼上下界面回波信号延时；
S3、根据回波信号延时和骨骼先验声速，获取骨骼上下界面深度，从而建立声速模型；
S4、将整个成像空间进行网格划分，并将步骤S1得到的深度z＝0处的回波信号pr(t,x,z0)和发射信号pT(t,x,z0)转换到频域，得到z＝0处的回波频域波场Pr(ω,kx,z0)和发射频域波场PT(ω,kx,z0)，其中，t代表时刻，(x,z)代表成像区域点坐标，ω代表频率，kx代表X方向上波数矢量的波数分量，z0表示深度z＝0；
S5、逐次处理N次发射采集得到的回波信号，通过二维傅里叶变换得到回波信号的频域波场Pr(ω,kx,z0)，将回波频域波场Pr(ω,kx,z0)和发射频域波场PT(ω,kx,z0)逐步外推获得不同深度的回波频域波场Pr(ω,kx,z)和发射频域波场PT(ω,kx,z)，得到不同深度的图像信息，将不同深度的图像信息组合得到每次发射的子帧图像；
S6、将多个子帧图像叠加得到最终骨骼图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟源合成孔径的频域骨骼超声成像方法，其特征在于，S1的具体步骤为：
探头采用阵元数目为N的线性探头，采用虚拟源合成孔径的发射方式，设定发射参数，每次发射以不同阵元为中心，采取多阵元延时发射的方式向骨骼内部发射超声波，全部阵元同时接收回波信号，共发射N次。
3.根据权利要求2所述的一种基于虚拟源合成孔径的频域骨骼超声成像方法，其特征在于，所述发射参数包括发射孔径大小、中心频率、采样频率以及发射时延，所述发射孔径大小和发射阵元数目由虚拟源聚焦深度和F数决定，具体为：
其中，L表示激励孔径大小，D表示虚拟源聚焦深度，F为F数。
4.根据权利要求3所述的一种基于虚拟源合成孔径的频域骨骼超声成像方法，其特征在于，S3的具体步骤为：
S3-1、利用测距原理确定骨骼上表面的空间位置，获得双层声速模型；
S3-2、结合骨骼下界面回波延时和骨骼先验声速确定下表面的空间位置，进而获得三层声速模型。
5.根据权利要求4所述的一种基于虚拟源合成孔径的频域骨骼超声成像方法，其特征在于，声速模型中下表面以下和上表面以上是水介质。
6.根据权利要求5所述的一种基于虚拟源合成孔径的频域骨骼超声成像方法，其特征在于，S4中声速模型和成像空间按照相同的网格大小进行网格划分。
7.根据权利要求6所述的一种基于虚拟源合成孔径的频域骨骼超声成像方法，其特征在于，S5的步骤为：
S5-1、将回波频域波场Pr(ω,kx,z0)和发射频域波场PT(ω,kx,z0)逐步外推，获得不同深度的回波频域波场Pr(ω,kx,z)和发射频域波场PT(ω,kx,z)，其中深度为z的频域波场通过深度为z 1的频域波场计算得到；
S5-2、基于计算不同深度的回波频域波场Pr(ω,kx,z)和发射频域波场PT(ω,kx,z)的相关性计算不同深度的图像信息，将不同深度的图像信息组合得到每次发射的子帧图像。
8.根据权利要求7所述的一种基于虚拟源合成孔径的频域骨骼超声成像方法，其特征在于，深度为z的频域波场为：
其中，i为复数分量，Δz为深度步长，P表示回波频域波场或发射频域波场。
9.根据权利要求8所述的一种基于虚拟源合成孔径的频域骨骼超声成像方法，其特征在于，所述子帧图像为：
其中，表示第ui次发射的子帧图像，x表示x方向。
10.根据权利要求9所述的一种基于虚拟源合成孔径的频域骨骼超声成像方法，其特征在于，S4中，基于傅里叶变换将步骤S1得到的深度z＝0处的回波信号pr(t,x,z0)和发射信号pT(t,x,z0)转换到频域。
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