一种超声弹性成像方法

技术领域

本发明涉及一种超声弹性成像方法，具体是关于一种基于编码激励合成发射孔径成像的超声弹性成像方法。

背景技术

传统方法在进行合成发射孔径成像(Synthetic Transmit Aperture，STA)时，每次发射只激活一个阵元发射球面波，而相应的超声回波数据将会被所有阵元接收。如果按一顺序依次激励所有阵元发射球面波，对每次发射接受到的回波数据做波束合成将得到对应的超声数据，将得到的数据进行相干叠加即可得到一幅全局高分辨率的超声图像，即可实现发射和接收的双向动态聚焦。

但是，STA只能在理想无噪声的条件下取得全局高质量的超声图像，因为每次发射只有单阵元被激活，其发射的超声能量低，因此图像信噪比低，穿透深度差，导致后续在此基础上进行弹性成像时，容易受到噪声影响。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于编码激励合成发射孔径成像的位移估计方法，该方法通过编码激励结合宽波束发射，得到高信噪比的合成发射孔径成像，并在此基础上，进行位移(应变)估计，以获得更好的位移(应变)估计效果。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种超声弹性成像方法，包括以下步骤：

一、通过编码矩阵对原始发射阵列的孔径进行编码；

二、依次进行各发射事件，并获取组织形变前后的两组超声回波数据；

三、将获取的两组超声回波数据分别进行解码，得到合成发射孔径成像对应的多帧通道回波数据；

四、对单次发射事件通道回波数据进行波束合成，得到对应的超声数据；

五、当依次完成所有发射事件后，将组织形变前后的各发射事件得到的所有超声数据相干叠加，即可得到组织形变前后的高质量超声图像；

六、使用位移估计算法处理分别组织形变前后的高质量超声图像，得出组织形变前后的位移估计结果；

七、对位移估计结果进行差分，得到最终的应变估计结果。

所述的超声弹性成像方法，优选地，在上述步骤一中，编码矩阵采用哈达玛矩阵，哈达玛矩阵的编码模式可被描述为H

其中，2阶哈达玛矩阵为

所述的超声弹性成像方法，优选地，在上述步骤二中，哈达玛编码后接收到的回波RF信号为Q＝[Q

所述的超声弹性成像方法，优选地，在上述步骤三中，对滤波后的回波RF信号进行解码，即通过前乘哈达玛矩阵的逆矩阵来获得完整的合成发射孔径成像对应的的回波RF信号R，可被描述为R＝H

所述的超声弹性成像方法，优选地，在上述步骤四中，对回波RF信号R进行延时叠加波束合成，得到波束合成后的超声数据。

所述的超声弹性成像方法，优选地，在上述步骤五中，对组织形变前后的所有发射事件中获得的RF数据分别进行相干叠加，得到组织形变前后的高质量超声图像。

所述的超声弹性成像方法，优选地，在上述步骤六中，位移估计算法包括包含互相关插值法、自相关法、图像配准法或光流法。

所述的超声弹性成像方法，优选地，当位移估计算法采取互相关插值法时，具体包括以下步骤：

1)在组织形变前和组织形变后的两帧RF信号上各选取一个二维窗，分别记为参考窗和比较窗；

2)分别计算参考窗和比较窗所包含信号的归一化互相关系数，并通过移动比较窗得到二维归一化互相关系数矩阵，该二维归一化互相关系数矩阵被命名为互相关函数，其维度假设为a×b；以一维窗和一维搜索为例，互相关函数的表达式如下：

式中，f(n)和g(n+τ)分别为参考窗和比较窗的超声信号；n为样本索引，且1≤n≤M，M为总样本量；参考窗和比较窗的范围为[u,u+W-1]，u是窗的开始索引值，W为窗的大小；τ为参考窗和比较窗之间的位移量，[τ

3)对互相关函数中每列进行一维余弦函数插值，得到每列的最大值及其对应位置，并分别记为MV

4)提取MV

5)重复上述步骤1)-4)，直至参考窗取遍形变前各个位置，即可得到所有位置的位移估计结果。

所述的超声弹性成像方法，优选地，在采取互相关插值法进行位移估计后，进一步对位移估计结果采取再相关法处理。

所述的超声弹性成像方法，优选地，发射阵列每次激励的阵元数量≤总阵元数量，编码的发射次数≤解码恢复的发射次数。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：在成像方面，采用本发明哈达玛编码的STA与无噪声的理论STA更接近，有效地减小了噪声干扰，因此，在应变估计方面，相同的噪声水平下，哈达玛编码后的STA比未编码的STA具有更准确、更鲁棒的组织应变结果。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的超声弹性成像方法的流程示意图；

图2为原始合成发射孔径序列的示意图；

图3为本发明一实施例采用哈达玛编码的合成发射孔径序列的示意图；

图4为本发明哈达玛编码后的STA与未编码的STA应变结果比较图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本领域技术人员可以理解的是，超声弹性成像包含但不限于位移/应变估计，由于位移估计是超声弹性成像方法的基础和关键步骤，故本实施例以位移/应变估计为例来说明。

如图1所示，本发明实施例提供的超声弹性成像方法，包括以下步骤：

一、通过编码矩阵对原始发射阵列(可以是任意阵列，如图2所示，本实施例采用线阵列)的孔径(孔径由连续发射的阵元TX#1-TX#N组成)进行编码；

二、依次进行各发射事件，并获取组织形变前后的两组超声回波数据；

三、将获取的两组超声回波数据分别进行解码，得到合成发射孔径成像对应的多帧通道回波数据；

四、对单次发射事件的通道回波数据进行波束合成，得到对应的超声数据；

五、当依次完成所有发射事件后，将组织形变前后的各发射事件得到的所有超声数据相干叠加，即可得到组织形变前后的高质量超声图像；

六、使用位移估计算法处理分别组织形变前后的高质量超声图像，得出组织形变前后的位移估计结果；

七、对位移估计结果进行差分，得到最终的应变估计结果。

图4展示了哈达玛编码后的STA与未编码的STA应变结果比较图，由图可见，在成像方面，哈达玛编码后的STA与无噪声的理论STA更接近，有效地减小了噪声干扰，因此，在应变估计方面，相同的噪声水平下，哈达玛编码后的STA比未编码的STA具有更准确、更鲁棒的组织应变结果。

上述实施例中，优选地，在上述步骤一中，编码矩阵采用哈达玛矩阵(仅以此为例，并不局限于哈达玛矩阵)，采用哈达玛编码后得到合成发射孔径序列如图3所示，图中编码矩阵的每一行对应不同的发射事件，每一列对应不同的阵元。哈达玛矩阵中的编码因子可以用于调整超声脉冲整体的极性，进而提高超声脉冲的发射能量。哈达玛矩阵的编码模式可被描述为H

其中，2阶哈达玛矩阵为

上述实施例中，优选地，在上述步骤二中，哈达玛编码后接收到的回波RF信号为Q＝[Q

上述实施例中，优选地，在上述步骤三中，对滤波后的回波RF信号进行解码，即通过前乘哈达玛矩阵的逆矩阵来获得完整的合成发射孔径成像对应的的回波RF信号R，可被描述为R＝H

上述实施例中，优选地，在上述步骤四中，对回波RF信号R进行延时叠加波束合成(Delay-and-sum，DAS，为本领域公知技术)，得到波束合成后的超声数据。

上述实施例中，优选地，在上述步骤五中，对组织形变前后的所有发射事件中获得的RF数据分别进行相干叠加，得到组织形变前后的高质量超声图像。

上述实施例中，优选地，在上述步骤六中，位移估计算法包括包含互相关插值法、自相关法、图像配准法或光流法等。

上述实施例中，优选地，当位移估计算法采取互相关插值法时，具体包括以下步骤：

1)在组织形变前和组织形变后的两帧RF信号上各选取一个二维窗，分别记为参考窗和比较窗；

2)分别计算参考窗和比较窗所包含信号的归一化互相关(normalized crosscorrelation，NCC)系数，并通过移动比较窗得到二维NCC系数矩阵，该二维NCC系数矩阵被命名为互相关函数(cross-correlation function，CCF)，其维度假设为a×b；以一维窗和一维搜索为例，互相关函数的表达式如下：

式中，f(n)和g(n+τ)分别为参考窗和比较窗的超声信号；n为样本索引，且1≤n≤M，M为总样本量；参考窗和比较窗的范围为[u,u+W-1]，u是窗的开始索引值，W为窗的大小；τ为参考窗和比较窗之间的位移量，[τ

3)对CCF中每列进行一维余弦函数插值，得到每列的最大值及其对应位置，并分别记为MV

4)提取MV

5)重复上述步骤1)-4)，直至参考窗取遍形变前各个位置，即可得到所有位置的位移估计结果。

上述实施例中，优选地，在采取互相关插值法进行位移估计后，还可以对位移估计结果采取再相关法处理。其中，再相关法是根据互相关得到的位移信息对形变前RF信号进行平移拉伸，然后再做一次互相关，将得到的位移同前述位移叠加，提升位移估计效果。

上述实施例中，优选地，发射阵列每次激励的阵元数量≤总阵元数量。

上述实施例中，优选地，编码的发射次数≤解码恢复的发射次数。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。