平面波相关点相干自适应波束合成成像方法技术

本发明专利技术提供一种平面波相关点相干自适应波束合成成像方法：1)确定相关点的数量和位置；2)对采样数据进行延迟处理；3)根据延迟处理，估计每一个相关点对应于相位相反的两个平面波的协方差矩阵；4)结合相干系数，利用步骤3)得到的协方差矩阵估计结果，计算各相关点的协方差矩阵；5)利用步骤4)所得的协方差矩阵进行自适应波束合成，将采样数据中同一个采样点对应的各相关点的波束合成值进行叠加；6)将各采样点的相关点波束合成值叠加结果以矩阵形式输出。本发明专利技术利用相干时间延迟反映了超声波在相关点处对目标采样点的影响，在与单角度或多角度平面波自适应波束合成相结合时，不会增加数据中的诊断信息，提高成像对比度、分辨率。

【技术实现步骤摘要】
平面波相关点相干自适应波束合成成像方法
本专利技术属于超声检测及超声成像
，涉及超声成像算法，具体涉及相关点影响下的单角度或复合多角度相干波束合成成像方法。
技术介绍
超声成像是利用超声声束扫描人体，通过对反射信号的接收和处理，来获取各个器官的图像。超声成像可以对许多组织和器官进行成像，目前超声对于颅骨内的监测主要采用经颅多普勒技术，然而颅内血管造影成像技术的发展为颅内监测提供了更准确的方法，对颅内血管进行血管成像克服了经颅多普勒检测的许多缺点，但是由于颅骨的阻挡，超声对于颅内组织和血管的成像还处于发展阶段。颅骨对超声波的衰减作用是限制超声技术对颅内血管及组织成像的主要因素，而波束合成是医疗超声成像系统的重要组成部分，波束合成算法的性能影响着超声成像的质量。因此对波束合成进行改良、提高成像质量是经颅成像发展的重要环节。目前常用的波束合成方法为延时叠加算法(DelayandSum,简称DAS)和自适应波束合成算法。与DAS相比，自适应波束合成算法利用换能器阵列接收到的回波信号，根据环境变化在适应的计算出施加在每个阵元上的动态加权值，因此具有更好的分辨力和抗干扰能力。1969年Capon提出基于最小方差(MinimumVariance，简称MV)的波束合成方法，为最早应用于医学超声成像的自适应波束合成算法，后来人们将此方法命名为Capon自适应波束合成算法。由于医学超声成像设备具有宽带、近场的特点，以及协方差矩阵估计有限，而最初的Capon自适应波束合成算法只适用于远场、窄带的场合，因此必须对此算法进行改进才能更好的适用于医学成像领域。1994年DavidD.Feldman等人提出了基于子空间的自适应波束合成方法，此方法需要噪声协方差矩阵的先验知识。这种方法提高了自适应波束合成算法对采样协方差矩阵估计误差的稳健性，然而并不能解决对噪声协方差矩阵的不精确估计敏感的问题。Sasso和Cohen-Bacrie，以及Synnevag等人将Capon自适应波束合成与空间平滑相结合，对接收到的回波信号去相关，从而获得较好的协方差矩阵估计。随后，Holfort等人将前后向空间平滑应用到协方差矩阵的估计中，从而进一步提高了自适应波束合成的性能，然而他们的研究是基于单点目标成像，而自适应波束合成是严格的数据相关，因此还需要考虑更多的情况。最小方差无失真响应(简称MVDR)是一种基于最大信噪比的自适应波束合成算法，也是目前应用最广的自适应波束合成算法。通过此算法得到的加权系数在期望方向上的阵列输出功率最小，同时信噪比最大。MVDR算法在很大程度上提高了波数谱估计的分辨率，有效的抑制了干扰和噪声。MVDR算法采用了自适应波束合成中常用的采样矩阵求逆算法，该算法具有较快的信噪比意义下的收敛速度。矩阵求逆算法只需要用较少的采样数(快拍数)就能保证权系数收敛。然而MVDR算法本身也存在一定的局限性。当所用快拍数不足时，小特征值不能快速收敛，从而使波束响应图发生畸变，在高信噪比下，这种影响尤为明显。低快拍数下协方差矩阵求逆时小特征值扰动明显致使波束响应旁瓣升高，主瓣发生畸变。同时，由于在实际应用中使用包含期望信号的协方差矩阵估计进行运算，在高信噪比、低快拍数的情况下，期望信号与噪声干扰存在明显的相干性。这在很大程度上影响了MVDR算法的性能。再加上众所周知的协方差矩阵估计样本的稀缺性，这会降低波束形成器的性能并降低图像质量。尤其，MVDR算法在对低回声信号距离中心扫描线较远的点进行波束合成时，信噪比和对比度都不够理想。因此，在现有算法的基础上如何降低成像噪声、提高图像信噪比和对比度，改善成像质量是超声成像领域关注的重点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种平面波相关点相干自适应波束合成成像方法，该方法通过相关像素点对目标像素点的影响来抑制无效信息，从而提高成像对比度、分辨率。为了实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种相关点影响下的单角度相干自适应波束合成成像方法，包括以下步骤：1)为解决最小方差无失真响应中协方差矩阵估计样本的稀缺性所导致的图像质量降低，利用相关点相干影响的波束合成，即对于由超声线阵换能器发射的两个相位相反的超声平面波所对应得到的采样数据，在处理采样数据(对于以上两个超声平面波各自的回波信号，采样点仅是相位相反)中每一条扫描线下每一个采样点(该采样点称为目标采样点)时需要考虑该目标采样点周围采样点对该目标采样点的影响，并把目标采样点周围对该目标采样点具有相干效果的采样点称为该目标采样点的相关点；因此，首先要定义目标采样点的相关点的个数和相对位置；2)相关点数目和相对位置确定后，在所述超声线阵换能器发射两个相位相反的平面波照射整个成像区域后接收回波信号，得到采样数据并存储，计算采样数据中目标采样点和其每一个相关点的相干延时：其中，τi,j,k表示第i个阵元发射的扫描线中第j个采样点的第k个相关点的延时，R表示第i个阵元的发射点到所述第j个采样点的距离，d表示第i个阵元的发射点到所述第k个相关点的距离，c表示声速，N表示阵元数目，M表示每条扫描线上的采样点数；3)利用得到的相干延时对采样数据进行延迟处理：先计算相干延迟：delayi,j,k＝τi,j,k×fs其中，fs为采样频率，delayi,j,k表示第i个阵元发射的扫描线中第j个采样点的第k个相关点的相干延迟。delayi,j,k实际为间隔的采样点个数，因此对采样数据进行延迟处理即为选取考虑延迟后的采样点ai,j(delayi,j,k)，ai,j(delayi,j,k)表示第i个阵元发射的扫描线中第j个采样点处延迟处理后的数据；所有数据ai,j(delayi,j,k)组合成a(delayi,j,k)，a(delayi,j,k)表示延迟处理后的采样点信号向量；4)为了保证相关点的协方差矩阵的非奇异性，对相关点的协方差矩阵采用前后相空间平滑技术：首先将阵元数目为N的超声线阵换能器分为N-L+1个重叠平滑子阵元，子阵元大小为L；假设前向空间平滑协方差矩阵估计为后向空间平滑协方差矩阵估计为前向空间平滑协方差矩阵估计计算公式为：Ri,j,k,l＝al(delayi,j,k)×alH(delayi,j,k)其中，G表示平滑子阵元个数，al(delayi,j,k)表示将a(delayi,j,k)分成G个平滑子阵元后，其中第l个平滑子阵元的采样点信号向量，H表示转置，表示第i个阵元发射的扫描线中第j个采样点的第k个相关点的前向空间平滑协方差矩阵估计；第i个阵元发射的扫描线中第j个采样点的第k个相关点的后向空间平滑协方差矩阵估计可以由前向空间平滑协方差矩阵估计计算得到：其中，J为单位矩阵，*表示共轭；最后，协方差矩阵估计：m＝1或2，分别对应两个相位相反的平面波在第i个阵元发射的扫描线中第j个采样点的第k个相关点产生的协方差矩阵的估计。5)利用相关点和目标采样点的相对位置确定相干系数，因为相关点的位置和与目标采样点的距离不同，平面波在相关点对目标采样点产生的影响也不同；相干系数作用于相位相反的两个平面波，根据相关点与目标采样点的相对位置取为：(b1,b2)＝(1,0)或者(b1,b2)＝(0，-1)，b1和b2分别表示两个相位相反的平面波的相干系数；6)结合相干系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种相关点影响下的单角度相干自适应波束合成成像方法，其特征在于：包括以下步骤：1)在超声线阵换能器发射两个相位相反的平面波照射成像区域后接收回波信号，得到采样数据，针对采样数据中的每一个采样点，确定该采样点的相关点的数量和位置，然后计算采样数据中每一个采样点和其相关点的延时；所述相关点是指目标采样点周围对该目标采样点具有相干效果的采样点；2)利用步骤1)获得的延时计算相干延迟，根据相干延迟对采样数据进行延迟处理，得到延迟处理后的采样数据；3)根据延迟处理后的采样数据，估计步骤1)确定的每一个相关点对应于所述两个相位相反的平面波的协方差矩阵；4)结合所述每一个相关点对应于所述两个相位相反的平面波的相干系数，利用步骤3)得到的协方差矩阵估计结果，计算各相关点的协方差矩阵；5)利用步骤4)所得的协方差矩阵进行自适应波束合成，将步骤1)中所得采样数据中同一个采样点对应的各相关点的波束合成值进行叠加；6)将步骤1)中所得采样数据中各采样点的相关点波束合成值叠加结果以矩阵形式输出，根据该输出进行成像。

【技术特征摘要】
1.一种相关点影响下的单角度相干自适应波束合成成像方法，其特征在于：包括以下步骤：1)在超声线阵换能器发射两个相位相反的平面波照射成像区域后接收回波信号，得到采样数据，针对采样数据中的每一个采样点，确定该采样点的相关点的数量和位置，然后计算采样数据中每一个采样点和其相关点的延时；所述相关点是指目标采样点周围对该目标采样点具有相干效果的采样点；2)利用步骤1)获得的延时计算相干延迟，根据相干延迟对采样数据进行延迟处理，得到延迟处理后的采样数据；3)根据延迟处理后的采样数据，估计步骤1)确定的每一个相关点对应于所述两个相位相反的平面波的协方差矩阵；4)结合所述每一个相关点对应于所述两个相位相反的平面波的相干系数，利用步骤3)得到的协方差矩阵估计结果，计算各相关点的协方差矩阵；5)利用步骤4)所得的协方差矩阵进行自适应波束合成，将步骤1)中所得采样数据中同一个采样点对应的各相关点的波束合成值进行叠加；6)将步骤1)中所得采样数据中各采样点的相关点波束合成值叠加结果以矩阵形式输出，根据该输出进行成像。2.一种相关点影响下的多角度相干自适应波束合成成像方法，其特征在于：包括以下步骤：1)在超声线阵换能器沿第p个角度(p＝1,…,P)发射两个相位相反的平面波照射成像区域后接收回波信号，得到采样数据，针对采样数据中的每一个采样点，确定该采样点的相关点的数量和位置，然后计算采样数据中每一个采样点和其相关点的延时；所述相关点是指目标采样点周围对该目标采样点具有相干效果的采样点；2)利用步骤1)获得的延时计算相干延迟，根据相干延迟对采样数据进行延迟处理，得到延迟处理后的采样数据；3)根据延迟处理后的采样数据，估计步骤1)确定的每一个相关点对应于所述两个相位相反的平面波的协方差矩阵；4)结合所述每一个相关点对应于所述两个相位相反的平面波的相干系数，利用步骤3)得到的协方差矩阵估计结果，计算各相关点的协方差矩阵；5)利用步骤4)所得的协方差矩阵进行自适应波束合成，将步骤1)中所得第p个角度(p＝1,…,P)采样数据中同一个采样点对应的各相关点的波束合成值进行叠加；6)将步骤1)中所得第p个角度(p＝1,…,P)采样数据中各采样点的相关点波束合成值叠加结果以矩阵形式输出；7)重复步骤1)-步骤6)...

【专利技术属性】
技术研发人员：万明习，张馨予，柏晨，乔晓阳，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61