[發(fā)明專利]一種基于特征結(jié)構(gòu)的廣義旁瓣相消超聲成像波束合成方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510410102.5
• 申請(qǐng)日: 2015-07-07
• 公開（公告）號(hào): CN104970831B
• 公開（公告）日: 2017-08-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王平;程娜;龔志輝;李娜;潘震;杜煒;李剛建
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號(hào): A61B8/00
• 分類號(hào): A61B8/00
• 代理公司: 北京同恒源知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11275
• 代理人: 趙榮之

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超聲成像技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于特征結(jié)構(gòu)的廣義旁瓣相消超聲成像波束合成方法。

背景技術(shù)

超聲具有對(duì)人體無(wú)害，實(shí)時(shí)成像，成本較低等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于血管、腹腔、心臟等器官的醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域。超聲成像算法是超聲成像的關(guān)鍵技術(shù)。延時(shí)疊加是目前最簡(jiǎn)單，最傳統(tǒng)，也是應(yīng)用最為廣泛的一種成像技術(shù)。這種方法的成像速度快，但分辨率較低，且柵瓣嚴(yán)重。

目前廣泛應(yīng)用的是采用最小方差自適應(yīng)波束形成方法來(lái)克服延時(shí)疊加算法的這一缺點(diǎn)，它是根據(jù)保持期望方向增益不變，并且使陣列輸出能量最小的原則，計(jì)算出聚焦延時(shí)后信號(hào)的加權(quán)矢量。由于該方法是實(shí)時(shí)根據(jù)回波數(shù)據(jù)計(jì)算加權(quán)值，所以該方法可以有效地降低旁瓣等級(jí),從而提高橫向分辨率，同時(shí)可以顯著的提高圖像的對(duì)比度，但是該方法的缺點(diǎn)是穩(wěn)健性遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)的延時(shí)疊加算法，當(dāng)存在噪聲時(shí)，抗噪聲能力很差。為了提高最小方差波束合成算法的穩(wěn)定性，很多學(xué)者提出了對(duì)角加載和特征空間法。但是該方法在噪聲較強(qiáng)時(shí)便失去了其優(yōu)勢(shì)。

在超聲成像中，根據(jù)最小方差準(zhǔn)則計(jì)算出最優(yōu)加權(quán)矢量然后進(jìn)行成像時(shí)，雖然圖像分辨率有所提升，但其對(duì)比度和魯棒性均有不足，同時(shí)也會(huì)使得部分有用信號(hào)相消，而且分辨率也有很大的提升空間。廣義旁瓣相消實(shí)質(zhì)是最小方差的一種等效結(jié)構(gòu)，利用普通的廣義旁瓣相消成像時(shí)圖像質(zhì)量提升不多。特別是當(dāng)超聲回波數(shù)據(jù)中存在噪聲時(shí)，最小方差和廣義旁瓣相消算法的魯棒性下降較大。

綜上所述，有必要提出一種自適應(yīng)算法，在能提高超聲圖像橫向分辨率的同時(shí)，還能保持算法的穩(wěn)定性和較好的抗噪能力。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于特征結(jié)構(gòu)的廣義旁瓣相消超聲成像波束合成方法，該方法基于最小方差準(zhǔn)則，構(gòu)造廣義旁瓣相消器，將自適應(yīng)加權(quán)矢量分解成自適應(yīng)與非自適應(yīng)兩部分加權(quán)矢量，然后根據(jù)接收信號(hào)的前向空間協(xié)方差矩陣估計(jì)構(gòu)建特征閾值信號(hào)子空間，并將加權(quán)矢量投影到此空間的左奇異矢量空間中，獲得新的加權(quán)矢量。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種基于特征結(jié)構(gòu)的廣義旁瓣相消超聲成像波束合成方法，包括以下步驟：

步驟一：對(duì)超聲陣元接收的回波信號(hào)進(jìn)行放大處理與AD轉(zhuǎn)換，以獲得超聲成像所需的回波數(shù)據(jù)；

步驟二：將接收陣列依次劃分為具有一個(gè)重疊陣元的子陣，然后對(duì)相應(yīng)劃分子陣接收的回波信號(hào)進(jìn)行前向平滑處理，以獲得樣本協(xié)方差矩陣；

步驟三：對(duì)樣本協(xié)方差矩陣進(jìn)行對(duì)角加載，以獲得前向空間協(xié)方差矩陣估計(jì)；

步驟四：將空間協(xié)方差矩陣估計(jì)與方向向量結(jié)合，計(jì)算得到自適應(yīng)波束加權(quán)矢量；

步驟五：根據(jù)最小方差準(zhǔn)則，構(gòu)造廣義旁瓣相消器，將加權(quán)矢量進(jìn)行分解以獲得自適應(yīng)與非自適應(yīng)兩部分加權(quán)矢量；

步驟六：對(duì)空間協(xié)方差矩陣估計(jì)進(jìn)行特征分解，構(gòu)建特征閾值信號(hào)子空間；

步驟七：將整體的加權(quán)矢量投影到特征閾值信號(hào)子空間的左奇異矢量空間中，得到新的自適應(yīng)波束加權(quán)矢量；

步驟八：最后利用投影所獲得的加權(quán)矢量與陣元回波數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)乘運(yùn)算得到超聲成像的波束合成數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步，在步驟二中，具體包括以下步驟：

1)令步驟一中得到的聚焦延時(shí)后的超聲回波信號(hào)為x(k),表示為x(k)＝[x₁(k),x₂(k),…,x_N(k)]，其中N表示超聲陣列的陣元個(gè)數(shù)，k為對(duì)應(yīng)于深度的采樣時(shí)刻；

2)把N陣元陣列依次劃分為具有一個(gè)重疊陣元的L個(gè)子陣，分別計(jì)算各個(gè)子陣的樣本協(xié)方差矩陣R_l(k)，然后計(jì)算所有子陣的樣本協(xié)方差矩陣的平均公式如下：

公式中為第l個(gè)子陣的輸出向量，表示的共軛轉(zhuǎn)置。

進(jìn)一步，在步驟三中，通過(guò)下列公式對(duì)平均的樣本協(xié)方差矩陣進(jìn)行對(duì)角加載得到對(duì)角加載后的前向空間協(xié)方差矩陣估計(jì)

其中，△為加入的空間噪聲與信號(hào)功率比，為信號(hào)等效功率，I表示單位矩陣。

進(jìn)一步，在步驟五中，根據(jù)如下步驟構(gòu)造廣義旁瓣相消器，獲得分解的自適應(yīng)與非自適應(yīng)加權(quán)矢量：

1)先通過(guò)最小方差原理計(jì)算自適應(yīng)加權(quán)矢量w為：

其中，a為方向向量,表示前向空間協(xié)方差矩陣估計(jì)的逆運(yùn)算；

2)構(gòu)造與此解等效的廣義旁瓣相消器，將加權(quán)矢量w分解成自適應(yīng)與非自適應(yīng)加權(quán)矢量部分：