[发明专利]基于超声系统点扩散函数仿真和压缩感知的超声成像方法

说明书

本发明涉及超声成像领域，更具体地涉及基于超声系统点扩散函数仿真和压缩感知的超声成像方法。本发明的目的是：在保证高帧频和较高成像质量的超声成像的同时，实现只需要较低水平的硬件计算平台就能进行成像。为此本发明提供的所述超声成像方法包括以下步骤：获得所述超声成像系统的点扩散函数；根据所述点扩散函数建立关系矩阵M；建立反映超声回波射频信号s与超声图像的像素点上的散射子散射强度分布I之间关系的方程组：s＝MI；其特征在于，设置一个阈值，将所述关系矩阵M中低于所述阈值的元素都置为0。本发明可以应用于需要高帧频和高分辨率成像且硬件计算平台水平较低的领域，如医学成像等，具有较大的实用价值。

技术领域

本发明涉及超声成像领域，更具体地涉及基于超声系统点扩散函数仿真和压缩感知的超声成像方法。

背景技术

传统的超声成像工作原理，以线阵式超声换能器为例，线阵换能器拥有N个可以独立发射/接收的阵元，对应于N个超声发射通道和信号接收通道，超声发射时，利用多个通道的延时发射，使不同通道的超声信号同时到达聚焦位置，形成发射聚焦；接收回波时，对接收到的信号进行类似的延时，将从同一反射物返回的不同通道接收到的信号累加在一起，形成接收聚焦。这样一次发射和一次接收，可以形成一条扫描线。通常超声成像都采用电子扫描的方式，进行M次聚焦发射/接收来获得M条扫描线，再将这些扫描变换成一幅完整的二维图像。因此，传统超声成像的帧频很低，通常在十几帧到几十帧之间。对于高硬度组织弹性成像、大动脉高速血流成像、心脏成像、以及追踪超声造影剂状态变化等成像目标快速运动因而需要极高帧频的应用领域，传统超声成像的帧频已经远远无法满足需要。

超声平面波成像技术包括超声平面波发射和相应的超声回波波束形成技术，是国际上近年来关于提高超声成像帧频的热点研究方向。该技术能将传统的超声成像帧频(一般为十几帧到几十帧)提高几百倍，达到10000-20000帧。该方法一般将线阵换能器的所有阵元都用于发射，采用互相之间没有相对延时的相同的电压脉冲，同时激励线阵换能器各个阵元以产生沿垂直于换能器表面方向向前传播的超声平面波；接收回波信号时，采用基于图像像素点位置的DAS(Delay and Sum，延时叠加法)波束形成技术形成一幅二维图像。这样，只需要一次发射/接收即可完成一次二维成像，极大地提高了成像帧频。但是，由于在使用平面波成像技术时，超声能量均匀地分布在整个二维成像平面，从不同散射物反射的回波会混叠在一起，被各个通道接收，难以区分。因此，由普通的波束形成方法得到的图像会出现很明显的伪影干扰。

为解决这一问题，多角度相干叠加成像法被提出。该方法从2N+1(N为某一正整数)个角度(其中一个角度为通常使用的垂直于超声换能器表面的角度，其他2N个角度围绕这个垂直角度呈对称形态分布，如-2°，-1°，0°，1°，2°)发射超声平面波并同样采用基于图像像素点位置的DAS波束形成技术获得2N+1幅二维图像，将这些图像进行叠加，相当于从多个角度发射的超声平面波之间实现了相干增强，产生类似于聚焦的效果，从而实现了图像分辨率和对比度的增强。N值越大，对分辨率和对比度的提高效果就越显著。利用这一技术，已经实现了高时空分辨率的，能够对全脑微血管响应脑部活动所产生的动态变化进行实时成像的新技术——超声脑功能成像技术(functional ultrasound,fUS)。高达千赫兹数量级的帧频成像效果，是研究动态血流变化情况的关键。此外，该技术还被应用到多个生物医学超声学的前沿研究方向上，如实时三维超声成像、高速多普勒血流流场速度分布成像、二维实时弹性成像、心脏、大动脉应变成像等，具有十分广阔的应用前景。但是，多角度相干叠加成像法相当于再次降低了帧频，例如，采用普通的超声平面波成像方法，可以实现10000帧每秒的帧频，但为了提高图像的分辨率和对比度，改为采用多角度相干叠加成像法，由51个角度的发射/接收结果合成一幅图像，帧频就下降到了低于200帧每秒。因此，多角度相干叠加成像法的应用范围受到严重地制约。

综上所述，如何在保证帧频不下降的同时，尽可能地提高图像的分辨率和对比度，成为超声平面波成像需要解决的重要问题。

近年来，国内外先后有一些关于基于压缩感知的超声平面波成像方法的论文发表。这些方法都分为以下两个步骤：