[發明專利]一種基于頻域分段的高分辨率最小方差超聲成像方法

有效

• 申請號: 201910757165.6
• 申請日: 2019-08-15
• 公開（公告）號: CN110501423B
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發明（設計）人: 王平;杜婷婷;王林泓;孔露;李錫濤;柳學功;孔美婭;田訓;梁家祺;王慧悅
• 申請（專利權）人: 重慶大學;重慶電子工程職業學院;重慶慕士塔格能源管理有限公司
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04;G01N29/02;G01N29/06;G01N29/44;G06F17/15
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 趙榮之

本發明涉及一種基于頻域分段的高分辨率最小方差超聲成像方法，屬于超聲成像領域。該方法首先對陣元接收的采樣信號進行延時處理，獲得超聲聚焦所需的回波數據；其次根據STFT中自適應窗函數的最大集中度測量準則，選取頻域分段最優窗函數；利用STFT將超聲回波信號轉換為窄帶子信號；利用共軛對稱性，前一半窄帶子信號經過共軛對稱處理生成另一半窄帶信號；將接收陣列依次劃分為具有重疊陣元的子陣，對頻域信號進行前后向平滑和對角加載處理，獲得樣本協方差矩陣；最后利用快速傅里葉逆變換對頻域分段最小方差波束形成權值進行處理，得出最終時域自適應波束形成信號。該方法可以顯著提升超聲成像分辨率，提高對比度，可以在整體上提高超聲成像的質量。

技術領域

本發明屬于超聲成像技術領域，涉及一種基于頻域分段的高分辨率最小方差超聲成像方法。

背景技術

超聲成像以其安全性、無創性、實時性和低成本等優點被廣泛應用于無損檢測與診斷領域，而波束形成技術是超聲成像的關鍵技術，直接決定超聲成像的圖像質量。延時疊加算法(DelayAnd Sum，DAS)，是超聲成像中應用最為廣泛的，也是最簡單的波束形成技術。它根據陣元通道幾何位置關系對所接收的回波信號進行延時量的計算，然后對延時后的數據對齊疊加。傳統DAS算法復雜度低，穩健性好，成像速度快，但由于其采用固定窗函數加權導致主瓣寬度增加，因此分辨率和對比度較低。

近年來，為了提高波束形成算法的對比度和分辨率，自適應算法得到越來越多的研究。1969年Capon提出的最小方差(MinimumVariance,MV)波束形成算法是目前使用最為廣泛的自適應算法。該方法依據保持期望方向增益不變，并使陣列輸出能量達到最小的原則，通過動態計算聚焦延時后的回波信號加權矢量，再將該矢量與回波信號相乘完成自適應加權，提高了圖像對比度和分辨率。但該算法的缺點是在算法涉及矩陣運算，復雜度高，嚴重影響了成像實時性，并且算法穩健性不如傳統DAS算法；并且MV算法最初是針對窄帶、非相關信號設計的，而超聲信號具有寬帶和強相關特性，并不滿足MV算法的適用條件。因此，最小方差算法在成像分辨率、對比度、魯棒性和成像效率都還有很大的提升空間。

為了提高MV算法的性能，對角加載方法和空間平滑方法分別用于提高算法的魯棒性和降低超聲信號的強相關性。在MV算法的基礎上，提出了基于特征空間的最小方差算法(ESBMV，Eigenspace-based Minimum Variance)，該方法對樣本估計協方差矩陣進行特征值分解，并根據特征值的大小將信號子空間與噪聲子空間分離。ESBMV雖然進一步提高了分辨率和對比度，但由于需要計算大量的特征值和特征向量，因此具有很高的復雜度和很低的運算效率。

綜上所述，急需發明一種適用于超聲回波信號特點，從本質上提高圖像分辨率和對比度，并且保持算法運行效率和穩健性的自適應波束形成算法，以全面整體提高超聲成像質量。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種基于頻域分段的高分辨率最小方差超聲成像方法，該方法能顯著提高算法的成像分辨率和對比度，并同時提高算法效率和波束形成穩健性，有效克服了寬帶、強相關的超聲回波信號不滿足傳統最小方差自適應波束形成算法窄帶、非相關的應用條件的矛盾問題，從而全面提高了超聲成像的質量。

為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種基于頻域分段的高分辨率最小方差超聲成像方法，該方法包括以下步驟：

S1：對超聲陣元接收的回波信號進行放大、AD轉換和延時處理，以獲得超聲回波數據；得到延時處理之后的信號x(τ)＝[x₁(τ),x₂(τ),...x_N(τ)]，x₁(τ)...x_N(τ)分別表示各陣元接收的回波信號，N表示超聲陣元數，τ表示為對應深度的采樣時刻；

S2：根據STFT中的自適應窗函數的最大集中度測量準則，選取適合超聲回波信號的最優窗函數；