一种基于螺旋扫描的超声断层三维成像方法及系统技术方案

本发明专利技术属于超声断层成像领域，公开了一种基于螺旋扫描的超声断层三维成像方法及系统，其中方法包括以下步骤：(1)采集原始数据：探头保持匀速直线运动的同时，切换发射阵元使等效发射阵元的位置随时间在三维空间中的变化轨迹呈螺旋形或部分螺旋形，并接收回波数据；(2)数据预处理；(3)计算每个等效发射阵元的坐标；(4)计算成像聚焦点的坐标；(5)针对每个成像聚焦点进行合成孔径聚焦；(6)数据后处理。本发明专利技术通过对成像方法原理、整体流程设计等进行改进，通过螺旋扫描的方式获取包含组织连续层面信息的容积数据，首次提出在三维空间中运用合成孔径聚焦技术，能够提高层面之间的分辨率，缩短扫描时间，进而提高系统的成像质量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于螺旋扫描的超声断层三维成像方法及系统
本专利技术属于超声断层成像领域，更具体地，涉及一种基于螺旋扫描的超声断层三维成像方法及系统。
技术介绍
超声断层成像，具有非侵入、无辐射、高分辨率和高灵敏度的优点，在软组织肿瘤的早期诊断方面具有广阔的应用前景，已逐渐成为超声应用领域的热点之一。超声断层成像可以分为反射成像和透射成像两种模式，其中，透射成像包含声速重建和衰减重建。反射图显示了目标的结构信息，声速图和衰减图显示了目标的功能信息。超声断层成像系统采用步进式扫描获得组织不同断层的信息，可以重建出组织的三维影像。美国Karmanos癌症中心设计了超声断层成像的原型系统，可以得到亚毫米级高分辨率的图像，目前在乳腺癌的早期检查领域处于领先地位。该系统的探测器由环形阵列组成，大量阵元均匀分布在探测器圆周上，每次使用单个阵元向环形阵列的中心发射超声波，所有阵元接收，直到每个阵元都完成发射，因此可以采集到360度的散射信号，用于反射和透射模式的重建。该系统采用了类似常规X-断层的断层扫描模式，获取的是组织离散层面的信息，由于考虑到扫描时间对结果的影响，层面之间的间隔在毫米级，而超声断层图像的分辨率达到了亚毫米级，这给后续的三维重建带来了困难。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种基于螺旋扫描的超声断层三维成像方法及系统，其中通过对成像方法原理、整体方法的流程处理设计、相应系统的功能组件设计等进行改进，通过螺旋扫描的方式获取包含组织连续层面信息的容积数据，首次提出在三维空间中运用合成孔径聚焦技术，能够提高层面之间的分辨率，缩短扫描时间，进而提高系统的成像质量。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于螺旋扫描的超声断层三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采集原始数据：对环形探头或部分环形探头中的各个阵元按顺时针方向或逆时针方向由1到N进行编号，N为探头中的阵元总数，这N个阵元均匀地分布在探头上；在所述探头保持匀速直线运动的前提下，按预先设定的发射规则切换发射阵元，假定一个运动-发射周期内包含L个发射事件，每个发射事件对应一个等效发射阵元，则由编号为1的发射事件开始发射超声信号直到编号为L的发射事件，各个发射事件对应的等效发射阵元的位置随时间在三维空间中的变化轨迹将呈一个完整螺旋形或部分螺旋形，从而完成一个运动-发射周期；如此不断更新发射阵元，完成多个运动-发射周期；其中，对于任意一个发射事件，在发射超声信号的同时，该探头中的各个阵元均接收并采集超声信号，获得原始回波数据；(2)数据预处理：对所述步骤(1)得到的所述原始回波数据进行滤波处理，得到滤波后的信号；(3)计算每个运动-发射周期下每个发射事件的等效发射阵元的三维空间坐标；(4)成像区域体素化：对三维成像区域进行体素化处理，并得到每个成像聚焦点的三维空间坐标；(5)针对每个成像聚焦点进行合成孔径聚焦：利用所述步骤(3)得到的每个发射事件的等效发射阵元的三维空间坐标、以及所述步骤(4)得到的每个成像聚焦点的三维空间坐标，在三维成像区域中，基于合成孔径聚焦技术原理，将三维成像区域中每个体素分别作为成像聚焦点进行逐成像点的聚焦，从而得到每个成像聚焦点的回波强度分布；基于这些成像聚焦点的回波强度分布，即可得到三维成像区域整体的回波强度分布；(6)数据后处理：对所述步骤(5)得到的所述三维成像区域整体的回波强度分布，进行滤波、包络检测、对数压缩和灰度映射，即可重建得到三维的超声断层图像。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(5)具体是：假设总共的发射事件个数为W，将其从1至W进行编号，对于三维成像区域内的某个成像聚焦点P，基于合成孔径聚焦技术原理，利用所述步骤(3)得到的每个发射事件的等效发射阵元的三维空间坐标，根据这一组W个发射事件的等效发射阵元的三维空间坐标，计算该成像聚焦点P的回波强度分布，该回波强度满足：其中，i对应于所述一组W个发射事件中第i个发射事件的等效发射阵元，Ωi为该第i个发射事件对应的子孔径接收阵元组成的集合，j代表Ωi中某个阵元编号为j的阵元；并且，其中，(xi，yi，zi)为所述第i个发射事件的等效发射阵元的三维空间坐标；(xj，yj，zj)为该第i个发射事件对应的子孔径接收阵元集合中某个阵元编号为j的阵元作为接收阵元时该接收阵元的三维空间坐标；(xP，yP，zP)为成像点P的三维空间坐标；di，TX为第i个发射事件的等效发射阵元距成像点P的空间距离，dj，RX为第i个发射事件对应的子孔径接收阵元集合中某个阵元编号为j的阵元作为接收阵元时该接收阵元距成像点P的空间距离；c为预先选定的声速值，优选的，c＝1540m/s；τi，j为声波由第i个发射事件的等效发射阵元出发、经过成像点P、再由成像点P到达第i个发射事件对应的子孔径接收阵元集合中某个阵元编号为j的阵元作为接收阵元时的延迟时间；si，j(t-τi，j)代表第i个发射事件、且第i个发射事件对应的子孔径接收阵元集合中某个阵元编号为j的阵元作为接收阵元接收到的延时对齐的回波信号。作为本专利技术的进一步优选，所述探头为环形探头；Ωi对应环形探头上一段连续的阵元区域，该区域以第i个发射事件对应的等效发射阵元与环形探头圆心两者的连线为对称轴左右对称，且该区域与环形探头圆心形成的圆心角不超过90°。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(1)中，所述预先设定的发射规则具体对应：(i)每个发射事件只包含一个阵元发射超声波，该阵元即对应一个等效发射阵元；或者，(ii)每个发射事件包含多个相邻阵元同时发射超声波，这些阵元一起对应一个等效发射阵元；或者，(iii)每个发射事件包含多个阵元、且按预先设定的延时要求发射超声波，这些阵元一起对应一个等效发射阵元。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(1)中，当探头为环形探头时，任意一个所述运动-发射周期对应一个完整螺旋形；当探头为部分环形探头时，任意一个所述运动-发射周期对应部分螺旋形。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(2)中，所述滤波处理具体是去除所述原始回波数据中的直流成分。按照本专利技术的另一方面，本专利技术提供了一种基于螺旋扫描的超声断层三维成像系统，其特征在于，包括：原始数据采集模块，用于：对环形探头或部分环形探头中的各个阵元按顺时针方向或逆时针方向由1到N进行编号，N为探头中的阵元总数，这N个阵元均匀地分布在探头上；在所述探头保持匀速直线运动的前提下，按预先设定的发射规则切换发射阵元，假定一个运动-发射周期内包含L个发射事件，每个发射事件对应一个等效发射阵元，则由编号为1的发射事件开始发射超声信号直到编号为L的发射事件，各个发射事件对应的等效发射阵元的位置随时间在三维空间中的变化轨迹将呈一个完整螺旋形或部分螺旋形，从而完成一个运动-发射周期；如此不断更新发射阵元，完成多个运动-发射周期；其中，对于任意一个发射事件，在发射本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于螺旋扫描的超声断层三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)采集原始数据：/n对环形探头或部分环形探头中的各个阵元按顺时针方向或逆时针方向由1到N进行编号，N为探头中的阵元总数，这N个阵元均匀地分布在探头上；在所述探头保持匀速直线运动的前提下，按预先设定的发射规则切换发射阵元，假定一个运动-发射周期内包含L个发射事件，每个发射事件对应一个等效发射阵元，则由编号为1的发射事件开始发射超声信号直到编号为L的发射事件，各个发射事件对应的等效发射阵元的位置随时间在三维空间中的变化轨迹将呈一个完整螺旋形或部分螺旋形，从而完成一个运动-发射周期；如此不断更新发射阵元，完成多个运动-发射周期；其中，对于任意一个发射事件，在发射超声信号的同时，该探头中的各个阵元均接收并采集超声信号，获得原始回波数据；/n(2)数据预处理：/n对所述步骤(1)得到的所述原始回波数据进行滤波处理，得到滤波后的信号；/n(3)计算每个运动-发射周期下每个发射事件的等效发射阵元的三维空间坐标；/n(4)成像区域体素化：对三维成像区域进行体素化处理，并得到每个成像聚焦点的三维空间坐标；/n(5)针对每个成像聚焦点进行合成孔径聚焦：利用所述步骤(3)得到的每个发射事件的等效发射阵元的三维空间坐标、以及所述步骤(4)得到的每个成像聚焦点的三维空间坐标，在三维成像区域中，基于合成孔径聚焦技术原理，将三维成像区域中每个体素分别作为成像聚焦点进行逐成像点的聚焦，从而得到每个成像聚焦点的回波强度分布；基于这些成像聚焦点的回波强度分布，即可得到三维成像区域整体的回波强度分布；/n(6)数据后处理：对所述步骤(5)得到的所述三维成像区域整体的回波强度分布，进行滤波、包络检测、对数压缩和灰度映射，即可重建得到三维的超声断层图像。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于螺旋扫描的超声断层三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采集原始数据：
对环形探头或部分环形探头中的各个阵元按顺时针方向或逆时针方向由1到N进行编号，N为探头中的阵元总数，这N个阵元均匀地分布在探头上；在所述探头保持匀速直线运动的前提下，按预先设定的发射规则切换发射阵元，假定一个运动-发射周期内包含L个发射事件，每个发射事件对应一个等效发射阵元，则由编号为1的发射事件开始发射超声信号直到编号为L的发射事件，各个发射事件对应的等效发射阵元的位置随时间在三维空间中的变化轨迹将呈一个完整螺旋形或部分螺旋形，从而完成一个运动-发射周期；如此不断更新发射阵元，完成多个运动-发射周期；其中，对于任意一个发射事件，在发射超声信号的同时，该探头中的各个阵元均接收并采集超声信号，获得原始回波数据；
(2)数据预处理：
对所述步骤(1)得到的所述原始回波数据进行滤波处理，得到滤波后的信号；
(3)计算每个运动-发射周期下每个发射事件的等效发射阵元的三维空间坐标；
(4)成像区域体素化：对三维成像区域进行体素化处理，并得到每个成像聚焦点的三维空间坐标；
(5)针对每个成像聚焦点进行合成孔径聚焦：利用所述步骤(3)得到的每个发射事件的等效发射阵元的三维空间坐标、以及所述步骤(4)得到的每个成像聚焦点的三维空间坐标，在三维成像区域中，基于合成孔径聚焦技术原理，将三维成像区域中每个体素分别作为成像聚焦点进行逐成像点的聚焦，从而得到每个成像聚焦点的回波强度分布；基于这些成像聚焦点的回波强度分布，即可得到三维成像区域整体的回波强度分布；
(6)数据后处理：对所述步骤(5)得到的所述三维成像区域整体的回波强度分布，进行滤波、包络检测、对数压缩和灰度映射，即可重建得到三维的超声断层图像。


2.如权利要求1所述基于螺旋扫描的超声断层三维成像方法，其特征在于，所述步骤(5)具体是：
假设总共的发射事件个数为W，将其从1至W进行编号，对于三维成像区域内的某个成像聚焦点P，基于合成孔径聚焦技术原理，利用所述步骤(3)得到的每个发射事件的等效发射阵元的三维空间坐标，根据这一组W个发射事件的等效发射阵元的三维空间坐标，计算该成像聚焦点P的回波强度分布，该回波强度满足：



其中，i对应于所述一组W个发射事件中第i个发射事件的等效发射阵元，Ωi为该第i个发射事件对应的子孔径接收阵元组成的集合，j代表Ωi中某个阵元编号为j的阵元；并且，









其中，(xi，yi，zi)为所述第i个发射事件的等效发射阵元的三维空间坐标；(xj，yj，zj)为该第i个发射事件对应的子孔径接收阵元集合中某个阵元编号为j的阵元作为接收阵元时该接收阵元的三维空间坐标；(xP，yP，zP)为成像点P的三维空间坐标；di，TX为第i个发射事件的等效发射阵元距成像点P的空间距离，dj，Rx为第i个发射事件对应的子孔径接收阵元集合中某个阵元编号为j的阵元作为接收阵元时该接收阵元距成像点P的空间距离；c为预先选定的声速值，优选的，c＝1540m/s；τi，j为声波由第i个发射事件的等效发射阵元出发、经过成像点P、再由成像点P到达第i个发射事件对应的子孔径接收阵元...

【专利技术属性】
技术研发人员：尉迟明，丁明跃，刘昭辉，张求德，宋俊杰，王珊珊，周亮，刘阔林，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42