一种余弦变换域超声成像方法技术

本发明专利技术涉及一种余弦变换域超声成像方法，步骤为：在医学超声成像系统中，对各通道接收信号进行延时聚焦得到回波信号；划分子带，进行算术平均得到子带信号向量平均值；对子带信号向量进行离散余弦变换；按照QR分解算法求得逆矩阵；对具有聚焦响应性质的方向向量进行离散余弦变换，得到余弦变换域的方向向量aB；求得自适应权重；对子带信号向量平均值进行离散余弦变换，得到信号向量XB(t)；对自适应权重和XB(t)进行运算得到每条扫描线的波束形成输出；波束形成后处理，对每条扫描线的波束形成结果进行包络检波、对数压缩、扫描转换以及显示。本发明专利技术在不增加硬件成本的条件下，提高图像对比度和空间分辨率的同时，不降低成像帧频，可以更好地适用于医学应用。

An ultrasonic imaging method in cosine transform domain

The invention relates to a cosine transform domain ultrasonic imaging method. In the medical ultrasonic imaging system, the echo signal is obtained by time-delay focusing of the received signals of each channel; the subband is divided and the average vector average of the subband signal is obtained by arithmetic average; the discrete cosine transformation of the subband signal vectors is carried out; the QR decomposition calculation is calculated. The inverse matrix is obtained by the method. The direction vector of the direction vector with focusing response is discrete cosine transform, and the direction vector aB of the cosine transform domain is obtained. The adaptive weight is obtained. The discrete cosine transformation of the subband signal vector is carried out and the signal vector XB (T) is obtained; each scan line is obtained by the operation of the adaptive weight and XB (T). The beamforming output, beamforming post-processing, envelope detection, logarithmic compression, scan conversion and display for each scan line beamforming result. The invention can improve the image contrast and spatial resolution without increasing the cost of hardware, and can be better applied to medical applications without reducing the frame frequency of imaging.

【技术实现步骤摘要】
一种余弦变换域超声成像方法
本专利技术涉及一种医学超声成像技术，具体为一种余弦变换域超声成像方法。
技术介绍
波束形成是医学超声成像系统中的一个关键步骤，影响着医学超声成像的质量.延时叠加(delayandsum，DAS)波束形成方法具有硬件实现简单，在噪声环境中具有鲁棒性的优点，广泛应用于医学超声系统。然而，延时叠加波束形成面临着成像分辨率和对比度低的困扰，因此，如何在不增加硬件成本的条件下，提高超声成像的性能成为一个重要的热点问题.在现有的研究方法中，自适应波束形成方法主要用于提高超声成像质量。最经典的自适应波束形成方法是最小方差(minimumvariance，MV)波束形成方法。为了将最小方差波束形成较好地应用于超声成像中，有关学者提出采用空间平滑技术和频率域的最小方差波束形成算法。这些算法可以较好地提高图像分辨率和对比度，但这些方法的主要局限是其计算复杂度较高，硬件实现较难，很难应用于超声实时成像。因此，怎样均衡超声成像性能和计算复杂度之间的关系，也即在不降低图像分辨率和对比度的同时，降低计算复杂度，减少硬件开销，开发具有高计算效率和良好成像性能的超声波束形成方法成为一个亟待解决的技术问题。
技术实现思路
针对现有医学超声成像技术存在计算复杂度较高，硬件实现较难等不足，本专利技术要解决的问题是提供一种具有计算复杂度低、成像性能高的余弦变换域最小方差(CosineTransformBeamSpaceMinimumVariance，CTMV)超声波束形成方法，即余弦变换域超声成像方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：本专利技术一种余弦变换域超声成像方法，包括以下步骤：1)在医学超声成像系统中，对各通道接收信号进行延时聚焦得到回波信号；2)对回波信号划分子带，得到子带信号向量，对子带信号向量进行算术平均得到子带信号向量平均值；3)对子带信号向量计算协方差矩阵，对协方差矩阵进行对角加载运算，对所得结果进行离散余弦变换；4)对离散余弦变换所得结果按照QR分解算法求得逆矩阵；5)对具有聚焦响应性质的回波信号的方向向量进行离散余弦变换，得到余弦变换域的方向向量aB；6)对逆矩阵和余弦变换域的方向向量aB进行计算求得自适应权重；7)对步骤2)所得子带信号向量平均值进行离散余弦变换，得到余弦变换域上的信号向量XB(t)；8)对自适应权重和步骤7)所得的XB(t)进行运算得到每条扫描线的波束形成输出；9)波束形成后处理，对每条扫描线的波束形成结果进行包络检波、对数压缩、扫描转换以及显示。步骤1)中，对各通道信号进行延时聚焦得到回波信号为：X(t)＝[x1(t),x2(t)...xM(t)]T其中[·]T表示向量的转置运算，M是接收传感器阵元的总数，t为时间索引序号，xi(t)表示第i通道接收的经过延时后的信号。步骤2)中，对回波信号划分子带得到子带信号向量为：Xl(t)＝[xl(t),xl+1(t),...,xl+L-1(t)]T,l＝1,2,...,M-L+1其中l为子带向量索引序号，L是子阵列长度的参数，参数L的取值在1到M/2之间，作为用户定义的参数来调整该方法的成像性能和鲁棒性，L根据实际的超声成像应用来选择确定。步骤2)中，对子带信号向量进行算术平均得到子带信号向量平均值定义如下:步骤3)中，结果计算回波信号的协方差矩阵，定义如下:其中，R(t)为时间索引t时刻对应的信号协方差矩阵，H为矩阵的共轭转置运算。步骤3)中，对协方差矩阵进行对角加载运算，定义如下：其中，是进行对角加载运算后的协方差矩阵，I是L×L的单位矩阵，σ为对角加载系数，一般取值为其中trace(·)表示矩阵的迹运算，Δ作为用户定义的参数来调整协方差矩阵的鲁棒性。步骤4)中，对余弦变换域的协方差矩阵进行QR分解，求得逆矩阵其中，是余弦变换域协方差矩阵RB(t)的逆矩阵，是余弦变换域的协方差矩阵，D＝[dkn](p+1)×L是抽取的离散余弦变换矩阵，k,n是矩阵的指标索引，k＝1,2,...,p+1代表行标，n＝1,2,...,L表示列标，参数p的值由实际超声成像所能容许的计算复杂度确定，p不超过10。步骤5)中，计算余弦变换域的方向向量aB，定义如下：aB＝Da其中a＝[1,1,...,1]T是元素全为1的L维列向量，表征接收信号向量对聚焦响应性质的方向向量，D为抽取的离散余弦变换矩阵。步骤6)中，对逆矩阵和离散余弦变换后的aB进行计算求得自适应权重为：其中，wB为自适应权重，是余弦变换域协方差矩阵RB(t)的逆矩阵，aB是余弦变换域上的方向向量，是aB的共轭转置向量。步骤8)中，对自适应权重wB和XB(t)进行计算得到每条扫描线的波束形成输出结果，定义如下：其中yB(t)是每条扫描线的波束形成输出结果，是自适应权重wB的共轭转置向量，为子带信号向量平均值进行离散余弦变换的结果。本专利技术具有以下有益效果及优点：1.本专利技术是对传统成像方法的一种改进措施，能够在不增加硬件成本的条件下，提高图像对比度和空间分辨率的同时，不降低成像帧频，相对于传统的波束形成方法，可以更好地适用于医学应用。2.本专利技术方法计算复杂度较低，硬件开销小，具有很强的鲁棒性，可以适应各种不同的复杂环境，抑制噪声的能力增强，所得图像的信噪比提高。附图说明图1为应用本专利技术所提供的余弦变换域最小方差波束形成方法的流程图；图2为不同波束形成方法所获得的点状目标仿真图像；图3为60mm和80mm深度处横向分辨率图像；图4为利用不同波束形成方法所获得的囊肿仿真图像；图5为40mm深度处囊肿图像的横向分辨率图像。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术作进一步阐述。如图1所示，为基于本专利技术所提出的余弦变换域最小方差超声波束形成方法的一个典型的超声成像流程图，包括以下步骤：1)在医学超声成像系统中，对各通道接收信号进行延时聚焦得到回波信号；2)对回波信号划分子带，得到子带信号向量，对子带信号向量进行算术平均得到子带信号向量平均值；3)对子带信号向量计算协方差矩阵，对协方差矩阵进行对角加载运算，对所得结果进行离散余弦变换；4)对离散余弦变换所得结果按照QR分解算法求得逆矩阵；5)对具有聚焦响应性质的回波信号的方向向量进行离散余弦变换，得到余弦变换域的方向向量aB；6)对逆矩阵和余弦变换域的方向向量aB进行计算求得自适应权重；7)对步骤2)所得子带信号向量平均值进行离散余弦变换，得到余弦变换域上的信号向量XB(t)；8)对自适应权重和步骤7)所得的XB(t)进行运算得到每条扫描线的波束形成输出；9)波束形成后处理，对每条扫描线的波束形成结果进行包络检波、对数压缩、扫描转换以及显示。步骤1)中，对各通道信号进行延时聚焦得到回波信号为：X(t)＝[x1(t),x2(t)...xM(t)]T其中[·]T表示向量的转置运算，M是接收传感器阵元的总数，t为时间索引序号，xi(t)表示第i通道(阵元)接收的经过延时后的信号(离散形式)。对步骤1)的信号划分子带信号，得到步骤2)中的子带信号向量如下：Xl(t)＝[xl(t),xl+1(t),...,xl+L-1(t)]T,l＝1,2,...,M-L+1其中l为子带向量索引序号，L是子阵列长度的参数，参数L的取值在1到M/2之间，作为用户定义的参数来本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种余弦变换域超声成像方法，其特征在于包括以下步骤：1)在医学超声成像系统中，对各通道接收信号进行延时聚焦得到回波信号；2)对回波信号划分子带，得到子带信号向量，对子带信号向量进行算术平均得到子带信号向量平均值；3)对子带信号向量计算协方差矩阵，对协方差矩阵进行对角加载运算，对所得结果进行离散余弦变换；4)对离散余弦变换所得结果按照QR分解算法求得逆矩阵；5)对具有聚焦响应性质的回波信号的方向向量进行离散余弦变换，得到余弦变换域的方向向量aB；6)对逆矩阵和余弦变换域的方向向量aB进行计算求得自适应权重；7)对步骤2)所得子带信号向量平均值进行离散余弦变换，得到余弦变换域上的信号向量XB(t)；8)对自适应权重和步骤7)所得的XB(t)进行运算得到每条扫描线的波束形成输出；9)波束形成后处理，对每条扫描线的波束形成结果进行包络检波、对数压缩、扫描转换以及显示。

【技术特征摘要】
1.一种余弦变换域超声成像方法，其特征在于包括以下步骤：1)在医学超声成像系统中，对各通道接收信号进行延时聚焦得到回波信号；2)对回波信号划分子带，得到子带信号向量，对子带信号向量进行算术平均得到子带信号向量平均值；3)对子带信号向量计算协方差矩阵，对协方差矩阵进行对角加载运算，对所得结果进行离散余弦变换；4)对离散余弦变换所得结果按照QR分解算法求得逆矩阵；5)对具有聚焦响应性质的回波信号的方向向量进行离散余弦变换，得到余弦变换域的方向向量aB；6)对逆矩阵和余弦变换域的方向向量aB进行计算求得自适应权重；7)对步骤2)所得子带信号向量平均值进行离散余弦变换，得到余弦变换域上的信号向量XB(t)；8)对自适应权重和步骤7)所得的XB(t)进行运算得到每条扫描线的波束形成输出；9)波束形成后处理，对每条扫描线的波束形成结果进行包络检波、对数压缩、扫描转换以及显示。2.按权利要求1所述的余弦变换域超声成像方法，其特征在于：步骤1)中，对各通道信号进行延时聚焦得到回波信号为：X(t)＝[x1(t),x2(t)...xM(t)]T其中[·]T表示向量的转置运算，M是接收传感器阵元的总数，t为时间索引序号，xi(t)表示第i通道接收的经过延时后的信号。3.按权利要求1所述的余弦变换域超声成像方法，其特征在于：步骤2)中，对回波信号划分子带得到子带信号向量为：Xl(t)＝[xl(t),xl+1(t),...,xl+L-1(t)]T,l＝1,2,...,M-L+1其中l为子带向量索引序号，L是子阵列长度的参数，参数L的取值在1到M/2之间，作为用户定义的参数来调整该方法的成像性能和鲁棒性，L根据实际的超声成像应用来选择确定。4.按权利要求1所述的余弦变换域超声成像方法，其特征在于：步骤2)中，对子带信号向量进行算术平均得到子带信号向量平均值定义如下:5.按权利要求1所述的余弦变换域超声...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏婷，张石，李大宇，王莹莹，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21