一种用于超声环阵成像的相位畸变校正方法和系统与流程-k8凯发

本发明属于超声成像技术，具体涉及一种用于超声环阵成像的相位畸变校正方法和系统。

背景技术：

1、超声断层扫描成像技术是一种无电离辐射、高帧率的医学影像模态，它通过采集生物体软组织的透射和散射超声波形信号，将其反演为组织结构图像。超声成像以实时、安全、低成本等优点被广泛应用于临床。现有的临床超声成像探头是线阵或凸阵换能器，它们具有便携性以及更具成本效益的优势。但由于线阵或凸阵视野的受限，检测生物体组织的分辨率是各向异性的，横向分辨率低于轴向分辨率。其次，图像质量在很大程度上取决于生物体内部组织的深度，因为来自深度区域的回波强度取决于沿传播路径衰减的变化。此外，扫描图像的质量高度依赖于超声科医生的经验和培训水平。环阵换能器拥有360°的视野角度，超声波束可以聚焦在每个点上。此外，环阵换能器内的任何区域都有靠近该区域的检测元素，因此可以抑制图像质量的深度依赖性。环阵换能器不仅可以同时接收不同方向的回波，还可以同时接收散射波和透射波，利用超声环阵成像技术可以获得生物体组织的结构信息。

2、现有的超声环阵成像技术通过标准的延时叠加（delay-and-sum，das）波束形成方法得到超声图像，但由于延时叠加方法无法区分主瓣和副瓣的信号，且副瓣的信号含有干扰波和杂波，所成图像质量不佳尚未达到临床使用的标准。通过假设传播介质是各向同性的，根据恒定声速和已知激发阵元、成像点和接收阵元间的几何距离计算各阵元时间延迟，因此，恒定声速的选取误差影响最终的图像质量。在实际超声环阵成像时，通常将成像物体置于水中，假设水温保持不变且水温不会受到检测物体的影响，将水的声速近似为一个恒定声速，这与实际物理场景有差异而导致建模的系统性误差。一般情况下使用恒定声速可以得到较好的成像分辨率，但是当重建生物体不同组织间声速差异大、非均质性高时，文献（pinton g f, trahey g e, dahl j j. sources of image degradation infundamental and harmonic ultrasound imaging using nonlinear, full-wavesimulations[j]. ieee transactions on ultrasonics, ferroelectrics, andfrequency control, 2011, 58(4): 754-765.）指出利用恒定声速进行波束形成方法时图像会出现局部结构变形、重影等模糊情况，造成超声图像分辨率低。文献（kim h, song i,kang j, et al. phase aberration correction for ultrasound imaging guidedextracorporeal shock wave therapy (eswt): feasibility study[j]. ultrasonics,2023, 132: 107011.）中对比了不同恒定声速下的波束形成结果，通过视觉评价发现，若选取的恒定声速与真实声速的误差大时，重建图像的整体质量严重下降，成像目标的物理位置以及界面出现了明显扭曲。反之，当恒定声速误差小时，成像目标的空间分辨率得到提高，但随着成像深度的增加，重建图像的相位像差影响逐渐增大，图像质量和目标位置也随着深度的增加而逐渐失真。

3、现有技术的缺点表现为：

4、1）在实际情况下，通过水的声速近似得到恒定声速，这与实际物理场景有差异而导致建模的系统性误差，将导致通道信号的失准，造成超声成像的分辨率降低；

5、2）在遇到复杂介质或声速差异较大时，尤其当作用于存在显著的声速不均匀性介质时，则在利用恒定声速计算几何延迟后，高阶相位畸变会导致信号失准，随着成像深度的增加，重建图像的相位像差影响逐渐增大，超声图像出现局部结构变形、重影等分辨率降低情况。

技术实现思路

1、本发明要解决现有超声环阵成像技术的问题，提出一种用于超声环阵成像的相位畸变校正方法和系统。

2、本发明提出的一种用于超声环阵成像的相位畸变校正方法，包括以下步骤：

3、s1，设置超声环阵的阵元激发和接收模式，实现超声回波信号采集；

4、s2，对各通道接收数据进行数据预处理，利用切除法将拾取的直达波信号区间赋值为零；

5、s3，设置先验的声速范围来计算不同声速下的相干因子，得到每个成像点在每个先验声速下对应的相干因子值；

6、s4，将得到的相干因子值分别对水平和垂直方向进行插值，再根据最大化相干因子来分别得到水平和垂直分布的声速；

7、s5，将水平和垂直分布的声速相加和平滑处理，得到最终的声速分布；

8、s6，根据成像点、激发阵元以及接收阵元的几何距离和得到的声速分布来计算延迟时间，通过延迟时间将各通道信号进行对齐；

9、s7，使用延迟叠加(das)波束形成方法将对齐的各通道信号进行聚焦，从而得到高分辨率超声成像结果；

10、进一步，在步骤s1中，设置环阵换能器每次仅有一个阵元激发，所有阵元接收信号，该过程将重复进行直至所有阵元都依次激发完毕，在这种模式下，激发次数等于环阵换能器的阵元数目。

11、进一步，在步骤s1中，利用超声设备进行数据采集时，在每个阵元激发之后，在相邻阵元激发时需要有一定的时间间隔，以确保环阵内的超声波衰减到可忽略的水平。

12、进一步，在步骤s2中，对环阵换能器各通道接收到的回波信号进行预处理，主要去除激发阵元传播到接收阵元位置的直达波信号。数据预处理根据直达波信号能量强，在回波数据曲线上振幅大的特征，来确定直达波截取区间范围。通过找到接收回波信号上最大值位置，再将直达波区间范围信号归零。

13、进一步，在步骤s3中，根据成像介质设定先验的声速范围为1460-1620m/s，声速增量为1m/s。根据已知成像点位置、激发阵元位置以及接收阵元位置的几何距离和设定的先验声速计算延迟时间，从各通道信号中提取延迟信号，此时每个成像点处的声速均为恒定声速。延迟时间由公式(1)得到：

14、

15、式中，表示序号激发阵元位置，表示序号接收阵元位置，表示坐标成像点位置，表示坐标成像点处的声速。

16、进一步，在步骤s3中，一个激发阵元对应多个接收阵元，故能计算出多组延迟时间，从而能提取到多个延迟信号。将从每个接收阵元提取的延迟信号代入下述公式(2)，计算该声速下的相干因子：

17、

18、式中，表示坐标成像点位置的相干因子， n表示接收阵元的总数目，表示具体激发阵元序号，表示具体接收阵元序号，表示坐标成像点位置在序号为m的激发阵元在序号为n接收阵元上提取的延迟信号，为序号m的激发阵元经过坐标成像点位置到达序号为n接收阵元上的时间。

19、进一步，在步骤s3中，对设置所有先验声速进行循环求解，在每个成像点位置均可以得到每个声速对应的相干因子值。

20、进一步，在步骤s4中，为了进一步提高求解精度，在相干因子和声速分布上做一维插值处理。考虑到直接求解全局声速会得到离散的声速分布，于是对每个声速下的二维相干因子矩阵分别在水平方向和垂直方向上求均值。

21、进一步，在步骤s4中，根据最大化相干因子原则，每个成像点位置选择相干因子最大值时对应的声速，从而得到水平和垂直分布的声速。

22、进一步，在步骤s5中，将得到水平和垂直分布的声速进行相加求平均，再将得到的声速做进一步的平滑处理。进一步平滑策略主要是进行9点平均加权滑动窗口平滑方法，见下述公式(3)

23、

24、式中，表示坐标成像点位置的声速。

25、进一步，在步骤s6中，利用步骤s5中得到的声速分布，在每个成像点位置，利用声速分布代替恒定声速代入公式(1)计算延迟时间。

26、本发明的第二个方面涉及一种用于超声环阵成像的相位畸变校正系统，包括数据采集模块、数据预处理模块、估计声速分布模块、相位校正模块、超声成像模块以及图像可视化模块，其中，

27、数据采集模块，用于设置超声环阵的阵元激发和接收模式，利用接收阵元记录接收到的回波信号；

28、数据预处理模块，用于对各通道接收数据进行预处理，主要是利用切除法将拾取的直达波信号区间赋值为零；

29、估计声速分布模块，用于将先验声速范围和计算相干因子联系起来，从而得到每个成像点位置的声速分布。

30、相位校正模块，用于已知成像点位置、激发阵元位置以及接收阵元位置的几何距离和每个成像点位置的声速分布计算校正后的延迟时间，通过计算得到的延迟时间将各通道信号进行对齐；

31、超声成像模块，用于将对齐的各通道信号使用延迟叠加(das)波束形成方法进行聚焦，从而得到高分辨率超声成像结果；

32、图像可视化模块，用于显示相位校正后的高分辨率超声成像结果。

33、本发明的第三个方面涉及一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现本发明的一种用于超声环阵成像的相位畸变校正方法。

34、本发明的第四个方面涉及一种用于超声环阵成像的相位畸变校正装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现本发明的一种用于超声环阵成像的相位畸变校正方法。

35、本发明的创新点是：

36、1)相比于现有的恒定声速估计方法，本发明利用回波数据计算在不同声速下延时信号的相干因子，使用插值、相干因子最大化原则以及平滑方法求解每个成像点位置的声速分布。

37、2)相比于现有超声环阵波束形成方法技术，本发明利用声速分布来代替恒定声速来计算延迟时间，可减少由实际物理建模中产生的系统性误差。

38、本发明基于所有合成孔径通道数据和相干因子来估计声速分布，用声速分布代替恒定声速计算各阵元时间延迟，通过标准的延时叠加波束形成方法，解决现有超声环阵成像技术在遇到生物体组织差异大或非均质性高时产生的相位畸变问题，从而提高超声图像的分辨率。

39、本发明的有益效果是：与人为测量恒定声速方法相比，本发明得到声速分布基于所有合成孔径通道数据，得到的声速分布可以减少与实际物理场景有差异而导致建模的系统性误差。进一步的，利用声速分布来代替恒定声速，再结合已知几何距离来计算延迟时间，可以解决在遇到复杂结构和声速不均匀介质时各通道信号不能很好的聚焦问题，可以有效避免信号失准，从而提高超声图像的分辨率。另外，本发明是估计每个成像点位置上的声速分布，与采样时间间隔无关，可适用于实际不同采样率的采集数据。