基于多角度相干復合的超聲平面波成像

●何緒金

基于多角度相干復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射，單次發射即可覆蓋整個成像區域，相較于傳統的線掃聚焦超聲，能極大的減少一幀圖像的發射次數，從而顯著的提升掃查幀率，但單次發射得到的平面波圖像的分辨率和信噪比是嚴重下降的。本文提出的采用多角度平面波相干復合成像的方法，通過增加復合角度數目，可以有效提升圖像的分辨率和信噪比，和常規聚焦波相比，在圖像質量相當的情況下，幀率有極大提高。

超聲成像；平面波；信噪比；分辨率；幀率；相干復合

1 引言

超聲成像以其無創性、安全、成像速度快、使用方便等優勢在臨床診斷中大量被采用，是臨床診斷的重要工具之一。超聲成像系統的數據獲取速度主要受聲波在組織內部的傳播速度的限制，目前傳統的超聲系統中，形成一幀超聲圖像的發射次數直接受限于一幀掃查區域范圍內包含的掃描線數。一幀圖像包含的線數一般在100-200線左右，整個超聲系統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的幀率，將大大的拓展超聲成像在臨床領域的應用前景，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對心肌運動的捕捉和跟蹤能力；此外還能夠實現組織內瞬變效應（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们熬笆欠浅V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一次超聲發射來得到一整幀圖像，他們的系統在一幀圖像有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年實現了可用于相控陣掃描方式的并行處理方式，他們的系統采用一次非聚焦聲束發射對應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：假設單次發射脈沖能夠照射到全部的感興趣區域，這種并行處理方法理論上可以利用此次發射的回波信號對整個感興趣區域進行成像，這正是平面波實現超高速超聲成像的原理。1990年，Fink等成功應用了平面波理論，使得超聲成像的幀率高于每秒鐘5000幀[5][6][7]。進入20世紀以后，基于平面波發射實現高速超聲成像的技術引起了廣泛的關注和研究。

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量為代價的。單次平面波發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用的腳步。本文采用多角度平面波相干復合成像方法，發射多個不同偏轉角度的平面波，采集各次平面波發射的回波信號進行波束合成，然后進行相干復合，輸出數據給后續的一系列信號處理環節（B模式的包絡檢測、Color模式的自相關以及DSC等）并得到最終圖像。實驗表明，一定角度數目的相干復合能夠達到和聚焦波圖像質量相當的效果，且在此前提下平面波的幀率仍然具有顯著優勢。

2 平面波多角度合成理論研究

傳統的超聲成像是通過發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，產生一個平行于換能器的超聲平面波，此平面波產生的聲場能夠有效覆蓋所有感興趣區域，經組織散射后，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域的超聲圖像。因此平面波只需要進行一次發射即可得到一幀圖像，和聚焦波相比，發射次數降為了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，平面波在減少發射次數方面的優勢仍然是非?？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，我們通過發射一系列不同偏轉角度的平面波，將這些不同角度發射得到的回波數據進行波束合成，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上方（直接與介質表面接觸）。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方向為成像介質的深度方向。平面波成像時，系統通過特定時間差的超聲脈沖激勵各個換能器使其發出平面波，平面波進入成像介質后會發生散射，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)，對于偏轉角度為α的平面波，超聲波由換能器發出到達點(x,z)，然后再經此點介質散射回到x1位置處換能器的時間為：

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

對應于成像介質中的點(x,z)，單次平面波發射（偏轉角度為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過延遲疊加起來的結果，用公式表達如下：將不同偏轉角度下得到的圖像結果進行相干疊加能夠提升最終平面波成像的質量。我們選用一系列不同的發射偏轉角度αi(i=1,…,n)，對每一個特定的偏轉角度，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：

在各次偏轉角度對應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 實驗結果

為了更直觀的將平面波成像和傳統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。聚焦波發射孔徑為46，聚焦深度為25mm，一幀共發射83次；平面波發射孔徑為192，無聚焦，發射偏轉角度為-5°到5°范圍內等間距的17個角度。如下圖3所示，3a為傳統聚焦波圖像，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果

圖4 聚焦波和平面波成像結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，取各深度結果的中位數作為整體平均指標，將兩種模式的平均指標進行對比，得到的結果如圖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目?？梢婋S著角度數目的增加，平面波的信噪比是在逐漸提升的，角度數目為9時平均信噪比能夠達到和聚焦波相當的效果，繼續提升復合角度數目能夠得到優于傳統聚焦波的信噪比；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目?？梢婋S著角度數目增加，靶點-20db寬度隨之減?。▽獔D像橫向分辨率的提升），當平面波角度數目增加到17時，能夠獲得與傳統聚焦波相當的橫向分辨率。

由以上結果可知，多角度相干復合能夠有效提升平面波圖像質量，增加相干復合角度數對圖像信噪比和橫向分辨率都有顯著提升效果。平面波成像發射9個不同角度即可達到聚焦波（發射83次）相同的信噪比；平面波成像發射17個不同角度即可達到聚焦波（發射83次）相當的橫向分辨率?？梢?，在圖像質量達到與聚焦波相當的效果下，平面波成像在發射次數上具有明顯優勢，而發射次數減少的直接結果就是超聲成像系統數據采集幀率的提升。

4 結論

與傳統聚焦波逐線掃描成像相比，平面波成像技術發射一次就可以獲得一幀圖像。將多個不同偏轉角度下的平面波發射獲得的信號相干復合可以有效提升平面波圖像的橫向分辨率和信噪比。實驗結果表明，9個角度的相干疊加即可達到與聚焦波相當的信噪比；17個角度的相干疊加可達到與聚焦波相當的橫向分辨率，而與聚焦波要形成一幀圖像所需的83次發射相比，平面波的發射次數顯著減少。。

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

（作者單位：深圳邁瑞生物醫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.

[3]S.W.Smith,H.G.Pavy,andO.T.vonRamm,”High-speedultrasoundvolumetricimagingsystem.I.Transducerdesignnadbeamsteering,”IEEETrans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control,vol.38,no.2,pp.100-108,Mar.1991.

[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.