醫(yī)學(xué)超聲成像中自適應(yīng)波束形成方法研究.pdf

1、作為四大醫(yī)學(xué)影像技術(shù)之一，醫(yī)學(xué)超聲具有安全、便攜、實(shí)時(shí)、低成本等優(yōu)點(diǎn)，在臨床診斷中已得到了廣泛應(yīng)用。在超聲成像系統(tǒng)中，波束形成處于核心位置，對(duì)成像質(zhì)量起著決定性作用。其中，延時(shí)疊加（delay-and-sum，DAS）波束形成技術(shù)能簡(jiǎn)單而有效地實(shí)現(xiàn)超聲圖像的重建，已在商業(yè)產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。但是，其所形成的波束主瓣寬度較寬、旁瓣水平較高，降低了圖像空間分辨率和對(duì)比度。傳統(tǒng)的變跡技術(shù)使用一組預(yù)先確定的權(quán)重（如漢明窗）來(lái)降低旁瓣干擾，但會(huì)

2、增加主瓣寬度，犧牲了圖像分辨率。自適應(yīng)波束形成技術(shù)通過從接收信號(hào)中提取特征信息來(lái)確定孔徑權(quán)重，在成像區(qū)域中形成更窄主瓣寬度和更低旁瓣級(jí)的高質(zhì)量波束，能夠同時(shí)增強(qiáng)分辨率和對(duì)比度。本論文以相干因子（coherence-based factor）自適應(yīng)加權(quán)和最小方差（minimum variance, MV）波束形成為主要研究對(duì)象，分析它們?cè)诔暢上裰械膬?yōu)點(diǎn)和不足，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法，具體包括：
　　首先，幅度相干因子法（the c

3、oherence factor, CF）和相位/符號(hào)相干因子（the phase/sign coherence factor, PCF/SCF）法能以較低的計(jì)算復(fù)雜度顯著抑制旁/柵瓣，減少雜波，但是會(huì)降低圖像平均亮度、增大斑點(diǎn)方差甚至損失部分紋理信息。本論文使用復(fù)解析孔徑數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一種基于相量離散度的相干因子，通過對(duì)相干波束和的加權(quán)，抑制旁瓣和雜波，減少離軸干擾信號(hào)和隨機(jī)噪聲。仿真和真實(shí)體模數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：相比于DAS，該方法能同

4、時(shí)提高分辨率和對(duì)比度。但是，它也會(huì)產(chǎn)生斑點(diǎn)紋理上的負(fù)面效果。為了解決該問題，通過一個(gè)用戶定義的參數(shù)α來(lái)調(diào)節(jié)離軸干擾抑制和圖像紋理信息之間的平衡。結(jié)果表明，一個(gè)0.9至1之間、稍小于1的α值能獲得最佳的成像結(jié)果。
　　其次，MV波束形成方法能顯著提高空間分辨率，但是對(duì)旁瓣和對(duì)比度的改善尚顯不足。為此，本文提出將MV波束形成與相位相干成像相結(jié)合的改進(jìn)方法。實(shí)驗(yàn)表明，該方法在保持高分辨率的同時(shí)，減少了旁瓣和雜波，但會(huì)造成圖像亮度降低、斑

5、點(diǎn)方差增大等問題。
　　然后，詳細(xì)指出了使用相干因子波束形成方法（如CF、PCF/SCF）重建圖像所存在的缺陷，包括：整體圖像亮度降低，斑點(diǎn)方差增大，高回聲反射體周圍出現(xiàn)黑洞偽影以及遠(yuǎn)場(chǎng)點(diǎn)目標(biāo)亮度被過低估計(jì)等。為解決這些問題，本論文從理論上分析了它們產(chǎn)生的原因，進(jìn)而提出一種新的空時(shí)平滑處理技術(shù)來(lái)修正相干因子類方法。由此所設(shè)計(jì)的空時(shí)平滑相干因子在一個(gè)發(fā)射脈沖的持續(xù)時(shí)間上測(cè)量所劃分重疊子陣列的波束和之間的信號(hào)相干性。仿真和真實(shí)體模數(shù)據(jù)

6、的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能明顯提高相干因子成像的魯棒性，減少斑點(diǎn)方差，消除黑洞偽影，具有較強(qiáng)的雜波抑制能力，從而提高圖像對(duì)比度，增強(qiáng)了圖像中囊腫的可檢測(cè)性。
　　最后，為了進(jìn)一步改善空時(shí)平滑相干因子方法的成像質(zhì)量，提出了三種改進(jìn)方案，即對(duì)該相干因子進(jìn)行空間濾波、將其與空間復(fù)合技術(shù)相結(jié)合以及與最小方差波束形成相結(jié)合。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：空時(shí)平滑相干因子經(jīng)過空間濾波后能減少由于因子值的波動(dòng)引起的斑點(diǎn)亮度變化，消除黑洞偽影，進(jìn)一步增強(qiáng)圖像對(duì)