基于多角度相干復(fù)合的超聲平面波成像

●何緒金

基于多角度相干復(fù)合的超聲平面波成像

●何緒金

平面波超聲成像采用平面波發(fā)射，單次發(fā)射即可覆蓋整個成像區(qū)域，相較于傳統(tǒng)的線掃聚焦超聲，能極大的減少一幀圖像的發(fā)射次數(shù)，從而顯著的提升掃查幀率，但單次發(fā)射得到的平面波圖像的分辨率和信噪比是嚴(yán)重下降的。本文提出的采用多角度平面波相干復(fù)合成像的方法，通過增加復(fù)合角度數(shù)目，可以有效提升圖像的分辨率和信噪比，和常規(guī)聚焦波相比，在圖像質(zhì)量相當(dāng)?shù)那闆r下，幀率有極大提高。

超聲成像；平面波；信噪比；分辨率；幀率；相干復(fù)合

1 引言

超聲成像以其無創(chuàng)性、安全、成像速度快、使用方便等優(yōu)勢在臨床診斷中大量被采用，是臨床診斷的重要工具之一。超聲成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取速度主要受聲波在組織內(nèi)部的傳播速度的限制，目前傳統(tǒng)的超聲系統(tǒng)中，形成一幀超聲圖像的發(fā)射次數(shù)直接受限于一幀掃查區(qū)域范圍內(nèi)包含的掃描線數(shù)。一幀圖像包含的線數(shù)一般在100-200線左右，整個超聲系統(tǒng)的幀率被限制在每秒鐘20到50幀左右。而若能夠提升整個超聲成像系統(tǒng)的幀率，將大大的拓展超聲成像在臨床領(lǐng)域的應(yīng)用前景，比如實時3D成像，能夠提供足夠的卷率；如心臟成像，高幀率能夠改善在一個心動周期內(nèi)對心肌運動的捕捉和跟蹤能力；此外還能夠?qū)崿F(xiàn)組織內(nèi)瞬變效應(yīng)（如彈性成像中的剪切波的傳播過程）的可視化?？梢姵咚俪暢上竦膽?yīng)用前景是非常廣闊的。

超高速超聲成像的歷史可以追溯到1978年，Delannoy等提出并行處理方法根據(jù)一次超聲發(fā)射來得到一整幀圖像，他們的系統(tǒng)在一幀圖像有70條掃描線的情況下能夠達到每秒鐘1000幀的幀率[1][2]。Shattuck等在1984年實現(xiàn)了可用于相控陣掃描方式的并行處理方式，他們的系統(tǒng)采用一次非聚焦聲束發(fā)射對應(yīng)4個超聲波束并行處理的接收模式，該方法的有效性得到了生物體內(nèi)實驗的驗證[3][4]。在首次成功嘗試以后，他們將整個成像方法的思路進一步拓展：假設(shè)單次發(fā)射脈沖能夠照射到全部的感興趣區(qū)域，這種并行處理方法理論上可以利用此次發(fā)射的回波信號對整個感興趣區(qū)域進行成像，這正是平面波實現(xiàn)超高速超聲成像的原理。1990年，F(xiàn)ink等成功應(yīng)用了平面波理論，使得超聲成像的幀率高于每秒鐘5000幀[5][6][7]。進入20世紀(jì)以后，基于平面波發(fā)射實現(xiàn)高速超聲成像的技術(shù)引起了廣泛的關(guān)注和研究。

和聚焦波相比，平面波能夠很大幅度提升幀率，但這是以犧牲圖像質(zhì)量為代價的。單次平面波發(fā)射所獲得的圖像存在橫向分辨率差和中遠場信噪比低的問題，這大大束縛了平面波進入實際臨床應(yīng)用的腳步。本文采用多角度平面波相干復(fù)合成像方法，發(fā)射多個不同偏轉(zhuǎn)角度的平面波，采集各次平面波發(fā)射的回波信號進行波束合成，然后進行相干復(fù)合，輸出數(shù)據(jù)給后續(xù)的一系列信號處理環(huán)節(jié)（B模式的包絡(luò)檢測、Color模式的自相關(guān)以及DSC等）并得到最終圖像。實驗表明，一定角度數(shù)目的相干復(fù)合能夠達到和聚焦波圖像質(zhì)量相當(dāng)?shù)男Ч?，且在此前提下平面波的幀率仍然具有顯著優(yōu)勢。

2 平面波多角度合成理論研究

傳統(tǒng)的超聲成像是通過發(fā)射多次聚焦波束照射組織來成像，如圖1a所示，以單波束接收為例，聚焦波每獲得一根接收線需要付出一次發(fā)射的代價，如果一幀圖像有N根掃描線，則要形成一幀圖像共需發(fā)射N次；而在平面波成像模式下，如圖1b所示，同時激勵換能器所有陣元，產(chǎn)生一個平行于換能器的超聲平面波，此平面波產(chǎn)生的聲場能夠有效覆蓋所有感興趣區(qū)域，經(jīng)組織散射后，所有陣元也同時接收回波信號，通過這些回波信號就可以得到整個區(qū)域的超聲圖像。因此平面波只需要進行一次發(fā)射即可得到一幀圖像，和聚焦波相比，發(fā)射次數(shù)降為了1/N。即使聚焦波采用雙波束、四波束等多波束并行處理技術(shù)，平面波在減少發(fā)射次數(shù)方面的優(yōu)勢仍然是非?？捎^的。

圖1 聚焦波和平面波成像模式對比

由于單一角度平面波沒有聚焦效果，成像對比度和信噪比低，因此，我們通過發(fā)射一系列不同偏轉(zhuǎn)角度的平面波，將這些不同角度發(fā)射得到的回波數(shù)據(jù)進行波束合成，然后再相干疊加來提升最終一幀圖像的對比度和信噪比。

圖2 平面波傳播時間示意圖[8]

將線陣探頭置于感興趣介質(zhì)上方（直接與介質(zhì)表面接觸）。圖2[8]給出了平面波傳播時間示意圖，圖中x方向為超聲換能器陣列平行方向，z方向為成像介質(zhì)的深度方向。平面波成像時，系統(tǒng)通過特定時間差的超聲脈沖激勵各個換能器使其發(fā)出平面波，平面波進入成像介質(zhì)后會發(fā)生散射，換能器陣列接收到被散射回的超聲波信號，如圖2(b)所示，記x1位置處的換能器接收到的回波信號為RF(x1,t)，對于偏轉(zhuǎn)角度為α的平面波，超聲波由換能器發(fā)出到達點(x,z)，然后再經(jīng)此點介質(zhì)散射回到x1位置處換能器的時間為：

上式中c表示超聲波在介質(zhì)中的傳播速度（假設(shè)聲速為恒定不變的）。對于無偏轉(zhuǎn)情況，即α=0，代入上式中可得到：

對應(yīng)于成像介質(zhì)中的點(x,z)，單次平面波發(fā)射（偏轉(zhuǎn)角度為α）獲得的一幀圖像為將x方向上各個位置處換能器獲得的信號經(jīng)過延遲疊加起來的結(jié)果，用公式表達如下：將不同偏轉(zhuǎn)角度下得到的圖像結(jié)果進行相干疊加能夠提升最終平面波成像的質(zhì)量。我們選用一系列不同的發(fā)射偏轉(zhuǎn)角度αi(i=1,…,n)，對每一個特定的偏轉(zhuǎn)角度，按照上述的方法可以得到一幅輸出圖像然后將這n副輸出圖像疊加起來即可得到最終平面波成像的圖像：

在各次偏轉(zhuǎn)角度對應(yīng)的子圖像疊加之前未進行任何非線性的處理，因此最終的疊加過程是相干疊加。

3 實驗結(jié)果

為了更直觀的將平面波成像和傳統(tǒng)聚焦波成像進行對比，我們使用線陣探頭分別采用平面波和聚焦波兩種方式對超聲體模進行成像，然后對成像結(jié)果進行定量分析。

線陣探頭為192陣元，陣元間距為0.2mm，用于成像的超聲波中心頻率為7.5MHz，橫向線間距為0.2mm。聚焦波發(fā)射孔徑為46，聚焦深度為25mm，一幀共發(fā)射83次；平面波發(fā)射孔徑為192，無聚焦，發(fā)射偏轉(zhuǎn)角度為-5°到5°范圍內(nèi)等間距的17個角度。如下圖3所示，3a為傳統(tǒng)聚焦波圖像，3b為17個角度平面波圖像。彩色的取樣框表示計算不同深度靶點信噪比和橫向分辨率的取樣范圍。

圖3 聚焦波和平面波對超聲體模靶點成像結(jié)果

圖4 聚焦波和平面波成像結(jié)果信噪比和橫向分辨率對比

分別計算這兩種成像模式下不同深度靶點處的信噪比和靶點的-20db寬度，取各深度結(jié)果的中位數(shù)作為整體平均指標(biāo)，將兩種模式的平均指標(biāo)進行對比，得到的結(jié)果如圖4所示：4a中藍色曲線顯示的是平面波信噪比與聚焦波信噪比之差（單位db），其中橫軸為平面波相干疊加的角度數(shù)目?？梢婋S著角度數(shù)目的增加，平面波的信噪比是在逐漸提升的，角度數(shù)目為9時平均信噪比能夠達到和聚焦波相當(dāng)?shù)男Ч?，繼續(xù)提升復(fù)合角度數(shù)目能夠得到優(yōu)于傳統(tǒng)聚焦波的信噪比；4b中顯示的是平面波靶點-20db寬度與聚焦波靶點-20db寬度的比值，橫軸為平面波相干疊加的角度數(shù)目?？梢婋S著角度數(shù)目增加，靶點-20db寬度隨之減小（對應(yīng)圖像橫向分辨率的提升），當(dāng)平面波角度數(shù)目增加到17時，能夠獲得與傳統(tǒng)聚焦波相當(dāng)?shù)臋M向分辨率。

由以上結(jié)果可知，多角度相干復(fù)合能夠有效提升平面波圖像質(zhì)量，增加相干復(fù)合角度數(shù)對圖像信噪比和橫向分辨率都有顯著提升效果。平面波成像發(fā)射9個不同角度即可達到聚焦波（發(fā)射83次）相同的信噪比；平面波成像發(fā)射17個不同角度即可達到聚焦波（發(fā)射83次）相當(dāng)?shù)臋M向分辨率?？梢?，在圖像質(zhì)量達到與聚焦波相當(dāng)?shù)男Ч?，平面波成像在發(fā)射次數(shù)上具有明顯優(yōu)勢，而發(fā)射次數(shù)減少的直接結(jié)果就是超聲成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集幀率的提升。

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)聚焦波逐線掃描成像相比，平面波成像技術(shù)發(fā)射一次就可以獲得一幀圖像。將多個不同偏轉(zhuǎn)角度下的平面波發(fā)射獲得的信號相干復(fù)合可以有效提升平面波圖像的橫向分辨率和信噪比。實驗結(jié)果表明，9個角度的相干疊加即可達到與聚焦波相當(dāng)?shù)男旁氡龋?7個角度的相干疊加可達到與聚焦波相當(dāng)?shù)臋M向分辨率，而與聚焦波要形成一幀圖像所需的83次發(fā)射相比，平面波的發(fā)射次數(shù)顯著減少。。

多角度相干復(fù)合能夠在保持幀率優(yōu)勢的前提下有效提升平面波成像的圖像質(zhì)量，使其能夠應(yīng)用于對時間分辨率要求較高的臨床應(yīng)用場景，基于多角度相干復(fù)合的超聲平面波技術(shù)將進一步促進超聲成像在各臨床應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。

（作者單位：深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司）

[1]B.Delannoy,R.Torgue,C.Bruneel,andE.Bridon,”Ultrafastelectronicalimagereconstructiondevice”inEchocardioligy,vol.1,C.T.Lancee,Ed.(TheHague:Nijhoff,1979),ch.3,pp.477-450.

[2]B.Delannoy,R.Torgue,C.Bruneel,E.Bridoux,J.M.Rouvaen,andH.LaSota,“Acousticalimagereconstructioninparallel-processinganalogelectronicsystems,”J.Appl.Phys,vol.50,pp.3153-3159,May1979.

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[4]O.T.vonRamm,S.W.Smith,andH.G.Pavy,”High-speedultrasoundvolumetricimagingsystem.II.Parallelprocessingandimagedisplay,”IEEETrans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control,vol.38,no.2,pp.109-115,Mar.1991.

[5]L.Sandrin,S.Catheline,M.Tanter,X.Hennequin,andM.Fink,“Timeresolvedpulsedelastographywithultrafastultrasonicimaging”,Ultrason.Imaging,vol.21,pp.259-272,Oct.1999.

[6]L.Sandrin,S.Catheline,M.Tanter,C.VinconneauandM.Fink,“2Dtransientelastography”,Acoust.Imaging,vol.25,pp.485-492,Jan.2000.

[7]L.Sandrin,M.Tanter,S.Catheline,andM.Fink,“Shearmodulusimagingusing2Dtransientelastography”,IEEETrans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control,vol.49,no.4,pp.426-435,Apr.2002.

[8]MontaldoG,TanterM,BercoffJ,etal.Coherentplane-wavecompoundingforveryhighframerateultrasonographyandtransientelastography[J].IEEETransactionsonUltrasonics,Ferroelectrics,andFrequencyControl,2009,56(3):489-506.