基于模型的图像重建方法技术

技术编号:24334961 阅读:78 留言:0更新日期:2020-05-29 21:52
本发明专利技术涉及一种用于例如超声成像的脉搏波图像重建方法。所提出的方法基于图像测量模型及其伴随算子。所提出的方法介绍了测量模型及其伴随算子的无矩阵形式。所提出的方法具有重建图像质量高、重建速度快的优点。

Image reconstruction method based on Model

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于模型的图像重建方法
本专利技术涉及一组适用于例如超声成像的基于模型的图像重建方法。本专利技术还涉及一种用于执行该方法的成像设备。
技术介绍
脉搏波成像应用(例如,超声(US)成像应用)可以用于各种
在医学应用中,用于观察内部身体结构,例如,肌腱、肌肉、关节、血管和内部器官。然而,脉搏波成像技术也广泛应用于医疗领域之外。超声波的一个商业用途是无损检测(NDT),即在不破坏零件或系统的适用性的情况下,检查、测试或估计材料、部件或组件的不连续性或特性差异的过程。换言之,当检查或测试完成后,零件仍可使用。无损检测的一个示例是油管。在这种情况下,超声波用于沿管道向下传播,并且以这种方式,可以检测是否存在作为脉冲反射的裂缝或缺陷。通过了解管道中的波的速度以及从裂缝反射到发送波之间的时间间隔,可以估计缺陷的位置。用于管道裂缝检测的相同理论可用于检测飞机结构/机翼面板等的裂缝,并检测例如机翼表面上的结冰。脉冲波成像当然还有许多其他可能的NDT应用。脉搏波成像因其安全性、便携性和实时性而广受欢迎。传统的US成像使用多个聚焦的时间分离的传输光束沿着扫描线重建图像。因此,帧速率受到聚焦发射波束数量的限制,每秒不能超过几十个图像。虽然这种帧速率对于许多应用来说已经足够了,但是更复杂的现象的理解(例如,用于弹性成像的剪切波的传播)需要更高的帧速率。克服这一限制的一种方法是尽可能减少发射波束的数量。合成孔径(SA)方法试图通过仅使用几个换能器元件依次声穿透整个介质来克服这个问题。另一种选择是超快US(UFUS)成像,利用平面波(PW)或发散波(DW)的概念来立即对整个视场进行声穿透,使US系统每秒钟能达到数千帧。这种方法的一个重要限制是图像质量下降。实际上,与能量集中在感兴趣的特定区域的聚焦发射波束相比,PW或DW的能量分散在声穿透介质上,导致较低的信噪比和较差的空间分辨率。解决这个问题的一种方法是对多个图像进行平均,这些图像是在PW成像的情况下以不同的声穿透角获得的,是在UFUS的DW成像的情况下以不同的点源位置获得的,或者是在SA成像的情况下以不同的换能器元件组获得的。在UFUS中,这一过程称为相干合成。虽然这种技术的实现相当简单,但需要多次声穿透,从而降低了帧速率。对多次声穿透求平均的另一种方法是使用比传统技术更有效的重建方法,传统技术主要围绕延迟和求和(DAS)波束形成。一组流行的方法依赖于使用迭代算法来解决由US图像重建引起的不适定图像形成问题。这些方法建立在问题的前向模型上。已知解决方案的主要问题在于其计算复杂性,通常转化为相应矩阵表示的存储要求。一些提出的模型要求二维(2D)矩阵系数存储数百千兆字节。鉴于传统方法,这个问题严重限制了迭代方法的吸引力。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是克服至少一些与脉搏波成像中的图像重建相关的上述问题。根据本专利技术的第一方面,提供了一种根据权利要求1所述的图像重建方法。所提出的方法具有重建图像质量高、重建速度快的优点。换言之,与现有技术解决方案相比,图像对比度和分辨率可以显著提高。根据本专利技术的第二方面,提供了一种成像设备,其被配置为执行根据权利要求15所述的根据本专利技术的第一方面的方法。在所附的从属权利要求中叙述本专利技术的其他方面。附图说明参考附图,从下面对非限制性示例性实施例的描述中,本专利技术的其他特征和优点将变得显而易见,其中:图1是示出根据本专利技术的示例的成像系统的一些元件的框图,这些元件有助于理解本专利技术的教导;图2是示出根据本专利技术的一个示例的所提出的成像方法中使用的成像配置的示意图;图3是示出根据本专利技术的一个示例的所提出的成像方法中使用的成像配置和连续域反射率超曲面的示意图;图4是示出根据本专利技术的一个示例的所提出的成像方法中使用的成像配置和离散域反射率超曲面的示意图;图5是概括根据本专利技术示例的图像重建方法的流程图;图6是根据本专利技术的一个示例更详细地示出图像重建方法的流程图;图7是根据本专利技术的另一示例更详细地示出图像重建方法的流程图;图8是示出根据本专利技术的示例实现图像测量模型的过程的流程图;以及图9是示出根据本专利技术的示例实现测量模型的伴随算子的过程的流程图。具体实施方式现在将参考附图详细描述本专利技术的实施例。在US成像的背景下描述该实施例,但是本专利技术的教导不限于这种环境。本专利技术的教导同样适用于可以使用脉搏波成像的其他领域。出现在不同附图中的相同或相应的功能和结构元件具有相同的附图标记。本实施例中的本专利技术提出了一种基于解决以下形式的不适定线性逆问题的2D和3D超声成像环境中的图像形成方法和设备或系统:m=Hγ+n其中,m是测量值,γ是受检查的对象,或者更具体地,是反射率函数,H是测量模型,n是噪声。所提出的图像形成方法依赖于两个主要支柱:快速且无矩阵的测量模型H和图像重建方法,该方法允许在给定测量值m的情况下检索受检查的对象γ的估计。该对象可以是较大结构的内部部分或元件。所提出的方法可以由标准的US系统执行,该系统包括US探头、图像形成模块以及后处理和显示模块,如图1所示。图1是示出成像系统或设备1的一些元件的简化框图,这些元件有助于理解本专利技术的教导。系统1包括超声波探头3,在该示例中,超声波探头3包括压电元件或传感器的线性阵列,也称为换能器。这种探头适合于2D成像的目的,并且可以包括圆柱形聚焦方案,以在高度上将声能量集中在图像平面附近。然而,这种探头仅仅是一个示例。所提出的方法可以容易地适应不同的探头几何形状(例如,凸形探头、相控阵等)或技术(包括聚偏氟乙烯(PVDF)共聚物和电容性微机械超声换能器(CMUT)等)。类似地,所提出的方法可以扩展到使用2D矩阵探头的情况,所述探头被设计成传输声束并从声穿透的体积收集回波,以便提供体积成像,由此成像过程产生受检查的体积的3D表示。US探头3连接到图像形成模块或设备5,其被配置为执行图像形成。在图像形成过程中使用在测量模型单元7中估计的测量模型。稍后详细解释的所提出的测量模型基于脉冲回波空间脉冲响应模型。本专利技术介绍了测量模型及其伴随的无矩阵公式,在连续算子的情况下,算子的伴随被定义为方阵转置的连续扩展,这表示脉搏波成像中的一种新的成像方法。测量模型的描述可以通过两个主要步骤来实现:·导出了脉冲波往返飞行时间的参数方程。这将表明,模型可以重铸为超曲面上的一个积分,如后文所述。·所提出的积分可随后离散,如后所述。可以例如为PW、DW和SA成像导出该模型。该模型与射频、同相和正交(IQ)数据兼容。最后,导出了所提出的测量模型的伴随的无矩阵形式。将证明也可以被重铸为超曲面上的积分,在2D成像的情况下被定义为1D流形,在3D成像的情况下被定义为2D流形,进行参数化,并且可以使用为测量模型提议的相同的离散方案。图像形成设备5还包括用于运行图像重建过程或方法的图像重建单元9。图像重建方法旨在检索受检查的图像的估计估计值可以写成:...

【技术保护点】
1.一种脉搏波图像重建方法,包括:/n·通过一组传输元件(13)将一组脉冲波传输(21)到要至少部分重建的对象;/n·通过一组传感器(13)从对象接收(23)一组反射回波波形,所述反射回波波形的特征在于在包括反射率网格点的反射率网格上定义的一组反射率值,所述一组回波波形定义在包括测量网格点的测量网格上定义的一组测量值;/n·定义(25)逆问题,用于通过测量模型从这组测量值获得一组反射率值估计;/n·将所述逆问题表示(27)为涉及包括数据差异项的目标函数的优化问题;/n·将优化问题表示(27)为涉及数据差异项贡献的方程组;/n·通过在方程组中执行迭代,直到达到给定的收敛阈值,来获得(29)这组反射率值估计,至少一些迭代至少涉及一组测量网格点中每个测量网格点的测量值估计和一组反射率网格点中每个反射率网格点的反射率值估计;/n所述方法的特征在于,获得方程组中的贡献包括:/n·从测量模型获得这组测量网格点中的每个测量网格点的测量值估计,包括:/n·生成(71)每个传输元件-传感器路径的一组反射率参数方程,其定义了包括超曲面反射率值的一组反射率超曲面;/n·在这组反射率超曲面中的每个反射率超曲面上集成(77)超曲面反射率值,以获得各个测量网格点的测量值估计;/n·从测量模型的伴随算子中获得这组反射率网格点中的每个反射率网格点的反射率值估计,包括:/n·生成(83)每个传输元件-传感器路径的一组测量参数方程,其定义了包括超曲面测量值的一组测量超曲面;/n·在这组测量超曲面中的每个测量超曲面上集成(89)超曲面测量值,以获得各个反射率网格点的反射率值估计。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170823 EP 17187412.61.一种脉搏波图像重建方法,包括:
·通过一组传输元件(13)将一组脉冲波传输(21)到要至少部分重建的对象;
·通过一组传感器(13)从对象接收(23)一组反射回波波形,所述反射回波波形的特征在于在包括反射率网格点的反射率网格上定义的一组反射率值,所述一组回波波形定义在包括测量网格点的测量网格上定义的一组测量值;
·定义(25)逆问题,用于通过测量模型从这组测量值获得一组反射率值估计;
·将所述逆问题表示(27)为涉及包括数据差异项的目标函数的优化问题;
·将优化问题表示(27)为涉及数据差异项贡献的方程组;
·通过在方程组中执行迭代,直到达到给定的收敛阈值,来获得(29)这组反射率值估计,至少一些迭代至少涉及一组测量网格点中每个测量网格点的测量值估计和一组反射率网格点中每个反射率网格点的反射率值估计;
所述方法的特征在于,获得方程组中的贡献包括:
·从测量模型获得这组测量网格点中的每个测量网格点的测量值估计,包括:
·生成(71)每个传输元件-传感器路径的一组反射率参数方程,其定义了包括超曲面反射率值的一组反射率超曲面;
·在这组反射率超曲面中的每个反射率超曲面上集成(77)超曲面反射率值,以获得各个测量网格点的测量值估计;
·从测量模型的伴随算子中获得这组反射率网格点中的每个反射率网格点的反射率值估计,包括:
·生成(83)每个传输元件-传感器路径的一组测量参数方程,其定义了包括超曲面测量值的一组测量超曲面;
·在这组测量超曲面中的每个测量超曲面上集成(89)超曲面测量值,以获得各个反射率网格点的反射率值估计。


2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述一组传输元件中的每个传输元件(13)被认为是一组传输点源,而所述一组传感器中的每个传感器(13)被认为是一组接收点源。


3.根据权利要求1或2所述的方法,其中,在集成超曲面反射率值之前,所述方法还包括:
·离散(73)这组反射率超曲面中的每个反射率超曲面,以获得超曲面反射率值;
·插值(75)离散的超曲面反射率值,以基本上与反射率网格点一致。


4.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,在集成超曲面测量值之前,所述方法还包括:
·离散(85)这组测量超曲面中的每个测量超曲面,以获得超曲面测量值;
·插值(87)离散的超曲面测量值,以基本上与测量网格点一致。


5.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述数据差异项被表示为正泛函,估计所述一组测量网格点中的每个测量网格点的测量值和测量值估计之间的距离。


6.根据权利要求5所述的方法,其中,所述正泛函是正可微泛函。


7.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述目标函数被表示为所述数据差异项和至少一个图像先验项的组合,所述图像先验项包括关于反射率值的先验信息。


8.根据权利要求7所述的方法,其中,所述至少一个图像先验项被表示为给定模型中的这组反射率值估计的表示的幂p的lp范数,为向量定义该lp范数,作为其中,表示实数空间。


9.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述...

【专利技术属性】
技术研发人员:阿德里安·贝松迪米特里斯·佩迪欧斯马塞尔·阿尔迪蒂让菲利普·蒂兰
申请(专利权)人:洛桑联邦理工学院
类型:发明
国别省市:瑞士;CH

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