相控診斷超聲成像波束控制技術(shù)研究.pdf

1、超聲波在生物體中傳播時(shí)，組織特性差異導(dǎo)致回波信號(hào)的幅度、相位、時(shí)間等參量發(fā)生改變。通過(guò)對(duì)回波信號(hào)的轉(zhuǎn)換、重建或反演處理，診斷超聲成像技術(shù)可獲得待測(cè)生物組織結(jié)構(gòu)信息。作為一種無(wú)創(chuàng)診斷手段，診斷超聲成像技術(shù)已成為醫(yī)學(xué)臨床診斷不可或缺的常規(guī)診斷技術(shù)之一。
　　相控診斷超聲成像技術(shù)采用電子聚焦與掃描技術(shù)，在整個(gè)視場(chǎng)范圍內(nèi)均可獲得具有良好的時(shí)間特性與空間特性的聚焦波束，經(jīng)相控波束形成重建聲像圖具有分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍大、幾何失真小等特點(diǎn)。因此

2、，與傳統(tǒng)超聲成像技術(shù)相比，相控診斷超聲成像技術(shù)可顯著提高成像質(zhì)量。本文從診斷超聲數(shù)據(jù)處理前端入手，針對(duì)相控診斷超聲成像中的波束設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了深入研究，提出了三種不同復(fù)雜度的波束形成算法，提高成像空間分辨率、時(shí)間分辨率與均勻性，最后給出了一種48通道高集成度、可編程的、可滿足波束形成算法研究與新興超聲臨床應(yīng)用研究的相控診斷超聲成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，解決了其中的主要關(guān)鍵技術(shù)并進(jìn)行了驗(yàn)證。本文主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
　　(1)對(duì)超

3、聲成像理論基礎(chǔ)進(jìn)行了論述，根據(jù)波動(dòng)方程給出了不同形狀換能器單頻連續(xù)波輻射聲場(chǎng)與脈沖激勵(lì)聲場(chǎng)計(jì)算模型，并對(duì)影響輻射聲場(chǎng)特性的因素及改善方法進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，給出了相控脈沖回波成像模型，仿真分析表明根據(jù)接收回波信號(hào)可以完全重構(gòu)由散射介質(zhì)引起的聲場(chǎng)變化，通過(guò)改善聲場(chǎng)分布特征可顯著提高成像質(zhì)量。
　　(2)全面分析了相位控制精度、聚焦控制與波束指向性控制對(duì)于提高成像動(dòng)態(tài)范圍與空間分辨率的關(guān)系，并據(jù)此提出了一種可成倍提高成像時(shí)間分辨率

4、的實(shí)時(shí)波束形成算法。該方法采用4并行接收波束使得成像幀頻提高4倍，同時(shí)通過(guò)抑制發(fā)射波束旁瓣幅度與控制主瓣寬度獲得高質(zhì)量的圖像。仿真結(jié)果表明采用該方法成像對(duì)比度明顯優(yōu)于常規(guī)延時(shí)累加波束形成算法。
　　(3)提出了一種基于子空間法的低復(fù)雜度穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成算法。該方法首先采用Toeplitz矩陣預(yù)處理結(jié)合特征值重構(gòu)法提高采樣協(xié)方差矩陣估計(jì)精度，然后采用特征子空間波束形成法實(shí)現(xiàn)孔徑權(quán)值的自適應(yīng)計(jì)算。針對(duì)點(diǎn)散射目標(biāo)與囊腫目標(biāo)仿真實(shí)驗(yàn)表明

5、，該方法不僅可有效解決回波信號(hào)相干干擾問(wèn)題，避免了傳統(tǒng)空域平滑算法導(dǎo)致的有效孔徑損失，而且可實(shí)現(xiàn)側(cè)向分辨率與對(duì)比度的同時(shí)提高。
　　(4)研究了非線性最小二乘支持向量回歸算法在波束形成中的應(yīng)用。該方法采用二次代價(jià)函數(shù)取代傳統(tǒng)最小方差無(wú)失真響應(yīng)波束形成算法中的線性約束條件，顯著提高存在模型失配時(shí)波束形成器的穩(wěn)健性與干擾抑制能力，采用高斯核函數(shù)則使得算法的泛化能力得以擴(kuò)展，然后，推導(dǎo)了解的快速迭代求解方法，使得算法的實(shí)時(shí)運(yùn)行得以實(shí)現(xiàn)。

6、最后，基于奇異性準(zhǔn)則提出了一種可有效削減解的規(guī)模的稀疏化算法。仿真結(jié)果表明該算法在導(dǎo)向矢量失配、復(fù)雜多干擾與樣本快拍數(shù)受限等情況下，不僅可保持良好的主瓣指向性，而且旁瓣幅度明顯低于傳統(tǒng)自適應(yīng)波束形成算法。
　　(5)采用模塊化設(shè)計(jì)思想與可重構(gòu)邏輯設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套高性能、高集成度的、可滿足波束形成算法研究與新興超聲臨床應(yīng)用技術(shù)研究需要的相控超聲成像平臺(tái)。該平臺(tái)可產(chǎn)生48獨(dú)立通道、脈沖寬度與脈沖數(shù)可調(diào)的發(fā)射脈沖與實(shí)現(xiàn)48路回波信號(hào)

7、的12 bit精度50MHz采樣。在發(fā)射時(shí)，采用兩級(jí)可變延時(shí)控制結(jié)構(gòu)，在較低系統(tǒng)工作頻率下使發(fā)射脈沖延時(shí)控制精度達(dá)1.25 ns；在接收時(shí)，采用基于最小均方誤差的分?jǐn)?shù)時(shí)延多相濾波技術(shù)提高接收相位控制精度與實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)動(dòng)態(tài)聚焦。此外，對(duì)于相控診斷超聲波束形成中的發(fā)射脈沖設(shè)計(jì)技術(shù)、掃描控制技術(shù)、多通道同步數(shù)據(jù)采集技術(shù)、波束形成器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了詳盡闡述。
　　作為相控陣列成像技術(shù)基礎(chǔ)研究的一部分，本文研究成果可為多種新興成像技術(shù)的研究