本發(fā)明屬于超聲成像領(lǐng)域,具體針對(duì)超聲成像的波束合成過(guò)程,旨在提供一種可保證超聲圖像質(zhì)量的同時(shí)降低運(yùn)算過(guò)程的復(fù)雜度、提高成像效率的基于特征空間分解的多重變跡快速自適應(yīng)波束合成方法。
背景技術(shù):
在現(xiàn)代超聲設(shè)備中,有兩大要素決定了最終成像的質(zhì)量,其一是設(shè)備的硬件水平,其二就是成像方法,而成像過(guò)程中最關(guān)鍵的技術(shù)就是波束合成。相比成像方法而言,硬件設(shè)施的升級(jí)更新需要很高的工藝水平,也意味著成本需求的增加,因此新型高效的波束合成方法的研究一直是超聲成像領(lǐng)域的熱點(diǎn)。
目前應(yīng)用最為廣泛的波束合成方法是延時(shí)疊加(Delay and Sum,DAS)波束合成,其基本思路是將各陣元接收到的信號(hào)根據(jù)其與目標(biāo)點(diǎn)的距離進(jìn)行延時(shí),然后將延時(shí)后的信號(hào)相加得到準(zhǔn)確的組織回波信號(hào)。但是DAS波束合成方法存在著很多問(wèn)題:
1)DAS波束合成所形成的波束主瓣寬度較寬,旁瓣水平較高,圖像空間分辨率和對(duì)比度差;
2)為降低旁瓣水平,DAS波束合成一般采用的是傳統(tǒng)的變跡技術(shù),即利用窗函數(shù)(例如漢寧窗)給參與合成波束的各接收陣元一個(gè)預(yù)先給定的權(quán)值,但是以增加主瓣寬度,即降低分辨率為代價(jià)。
在自適應(yīng)波束合成中,權(quán)值的選擇不再與接收信號(hào)無(wú)關(guān),而是根據(jù)各陣元接收信號(hào)的特點(diǎn)來(lái)調(diào)整權(quán)值以使得在合成方向上信號(hào)能量最大,而盡量壓制來(lái)自其他方向的信號(hào)和干擾,其中最小方差(Minimum Variance,MV)自適應(yīng)波束合成的應(yīng)用最為廣泛,相比于DAS,MV波束合成在降低旁瓣水平的同時(shí)并沒(méi)有犧牲分辨率,但其中仍然存在一些問(wèn)題:
1)MV波束合成對(duì)于旁瓣和雜波的抑制程度不夠,在圖像對(duì)比度的提高上沒(méi)有很大作用;
2)MV波束合成得到的圖像橫向分辨率可以進(jìn)一步改善;
3)MV波束合成過(guò)程中需要很大的計(jì)算量,難以用于實(shí)時(shí)成像。
針對(duì)以上不足,BabakMohammadzadehAsl提出了基于特征空間的MV波束合成,即EIBMV(Eigenspace-based Minimum Variance,EIBMV)波束合成,其中各接收陣元權(quán)值的獲取是通過(guò)將MV波束合成中的權(quán)值映射到接收信號(hào)協(xié)方差矩陣的特征空間,使得最終得到的超聲圖像在保持MV波束合成的高的橫向分辨率的同時(shí),有效地壓制了旁瓣水平,提高了對(duì)比度。零值剪影成像(Null Subtraction Imaging,NSI)是在得到各通道權(quán)值之后,通過(guò)進(jìn)一步的變跡方法來(lái)降低旁瓣水平同時(shí)改善橫向分辨率。
而Chi HyungSeo針對(duì)旁瓣和雜波抑制提出了新的方法——互相關(guān)雙重變跡方法(Dual Apodization with cross-correlation,DAX)。對(duì)于各通道信號(hào)的加權(quán)又稱為變跡,而在傳統(tǒng)的波束合成中權(quán)值都是通過(guò)一次變跡得到的。在DAX中使用了一對(duì)變跡函數(shù)。這兩個(gè)變跡函數(shù)應(yīng)用之后會(huì)得到相似的主瓣信號(hào)(來(lái)自于合成方向上)和存在很大差異的旁瓣信號(hào)(來(lái)自于其他干擾方向),因此將兩次變跡得到的信號(hào)相加并與兩者的歸一化互相關(guān)系數(shù)相乘就得到了旁瓣和雜波被有效壓制的所需信號(hào)。
為降低MV波束合成的計(jì)算復(fù)雜度,減少計(jì)算量,Kyuhong Kim等人提出了快速M(fèi)V波束合成,通過(guò)主成分分析(Principle Component Analysis,PCA)降低信號(hào)自相關(guān)矩陣的維數(shù)來(lái)降低波束合成的復(fù)雜度。
在目前的波束合成方法中,大都是針對(duì)某一方面的不足進(jìn)行改善。因此,綜合解決對(duì)比度提高、分辨率改善、計(jì)算量減少問(wèn)題的波束合成方法,將大大增強(qiáng)超聲成像的有效性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對(duì)目前的超聲圖像存在的圖像對(duì)比度和空間分辨率不佳的問(wèn)題,本發(fā)明的目的在于提供一種基于特征空間分解的多重變跡快速自適應(yīng)波束合成方法。
為達(dá)到上述目的,本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:
一種基于特征空間分解的快速自適應(yīng)波束合成方法,該自適應(yīng)波束合成方法包括以下步驟:在一定的成像條件下,將用于波束合成的對(duì)應(yīng)各通道回波信號(hào)的自相關(guān)矩陣進(jìn)行特征空間分解,根據(jù)給定閾值挑選出其中較大的特征向量構(gòu)造信號(hào)子空間,將利用MV波束合成得到的權(quán)值向量投影到此信號(hào)子空間得到新的權(quán)值向量;將此權(quán)值向量進(jìn)行主成分分析,將得到的主成分作為用于所述成像條件下進(jìn)行基于特征空間的最小方差自適應(yīng)波束合成的權(quán)值向量。只要用于波束合成的數(shù)據(jù)是在完全一致的成像條件下獲得,波束合成的所需的權(quán)值計(jì)算過(guò)程可以省略,都可以使用此預(yù)先計(jì)算得到的權(quán)值向量。
進(jìn)一步的,上述自適應(yīng)波束合成方法具體包括以下步驟:
1)在給定的成像條件下,進(jìn)行MV波束合成求得各通道權(quán)值向量wMV,并將其作為樣本進(jìn)行主成分分析;
2)計(jì)算權(quán)值向量的協(xié)方差矩陣RW:
其中,wq是第q個(gè)MV波束合成權(quán)值向量,μ是所有權(quán)值向量樣本的均值,Q為權(quán)值向量樣本數(shù),Q大于或等于空間平滑所設(shè)定的子陣元數(shù)目L;(權(quán)值向量是指某通道對(duì)應(yīng)的各采樣點(diǎn)的權(quán)值組成的向量)
3)對(duì)RW進(jìn)行特征分解:RW=VΛVH;Λ是對(duì)角矩陣,該對(duì)角矩陣主對(duì)角線上的值由RW的特征值按照降序組成,V由RW的特征向量組成,組成V的特征向量彼此正交,且與Λ中的特征值一一對(duì)應(yīng);
4)根據(jù)wMV=Vβ,將求最優(yōu)權(quán)值的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求最優(yōu)β的問(wèn)題,即:
minβHR1β,滿足βHv1=1
其中R1=VHRV,R=E[y·yH],R是指用于求解wMV時(shí)的各通道回波信號(hào)的協(xié)方差矩陣,y為經(jīng)過(guò)延時(shí)處理之后用于波束合成的各通道回波信號(hào);v1=VHa,a為方向向量;
5)根據(jù)拉格朗日乘子法求得:
6)將R1重寫為R1=E[u·uH],其中u=VHy=[u1,u2,…,uP]T,然后對(duì)R1進(jìn)行空間平滑處理和深度方向的樣本值平均:
其中P為用于波束合成的陣元總數(shù)目,L為空間平滑處理中設(shè)定的子陣元數(shù)目,L≤P/2,K為深度方向上用于平均處理的點(diǎn)數(shù);然后進(jìn)行對(duì)角加載(Diagonal Loading,DL),即用代替其中γ1為加載量,Δ1=1/P;選擇V能量集中的前I個(gè)主成分代表MV波束合成的權(quán)值空間滿足I<L;
7)計(jì)算
其中:在中插入一個(gè)列,與其他向量正交,且該列的每個(gè)元素值均為以避免主成分分析中中心化處理造成進(jìn)而導(dǎo)致βHv1=1無(wú)法成立的問(wèn)題;
8)將進(jìn)行特征分解:ΛS是對(duì)角矩陣,該對(duì)角矩陣主對(duì)角線上的值由的特征值按照降序組成,Vs由的特征向量組成,組成VS的特征向量彼此正交,且與ΛS中的特征值一一對(duì)應(yīng);
9)構(gòu)造信號(hào)子空間ES:設(shè)定ΛS中特征值的閾值為最大特征值的δ倍(一般為0.1-0.4),從而從Vs中選擇對(duì)應(yīng)特征值大于此閾值的特征向量來(lái)構(gòu)造信號(hào)子空間ES;
10)計(jì)算wEIBMV:
一種基于特征空間分解的多重變跡快速自適應(yīng)波束合成方法,包括以下步驟:
1)進(jìn)行波束合成之前改變換能器的工作模式,即以M個(gè)陣元為間隔,將換能器中用于波束合成的全部陣元分為兩組,第一組陣元對(duì)應(yīng)通道為第(1…M,2M+1…3M,4M+1…5M,…)通道,第二組陣元對(duì)應(yīng)第(M+1…2M,3M+1…4M,5M+1…6M,…)通道。在用第一組陣元進(jìn)行波束合成時(shí),將第二組陣元對(duì)應(yīng)的通道信號(hào)設(shè)為零值,在用第二組陣元進(jìn)行波束合成時(shí),將第一組陣元對(duì)應(yīng)的通道信號(hào)設(shè)為零值;然后計(jì)算兩組陣元波束合成后的數(shù)據(jù)的互相關(guān)系數(shù),通過(guò)改變M的值,得到多個(gè)互相關(guān)系數(shù)值(個(gè)數(shù)小于等于P/2);
2)在全陣元工作模式下進(jìn)行波束合成得到輸出數(shù)據(jù);將輸出數(shù)據(jù)與1)中得到的對(duì)應(yīng)于不同M值的各個(gè)互相關(guān)系數(shù)分別相乘后疊加再按最大值進(jìn)行歸一化處理,得到第一組輸出數(shù)據(jù)集;
3)在全陣元工作模式下進(jìn)行波束合成,將求得的權(quán)值向量在合成波束所用陣元的方向分為左右對(duì)稱的兩部分,左側(cè)陣元的權(quán)值保持不變,右側(cè)陣元的權(quán)值變?yōu)樵档南喾磾?shù),用形成的新的權(quán)值向量對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行加權(quán),得到第二組輸出數(shù)據(jù)集;
4)將2)和3)中得到的兩組輸出數(shù)據(jù)集相減后按最大值進(jìn)行歸一化處理,得到成像射頻數(shù)據(jù),在經(jīng)過(guò)后續(xù)的包絡(luò)檢波、對(duì)數(shù)壓縮等進(jìn)一步的信號(hào)處理步驟后即可用于超聲成像;
所述1)—3)中,波束合成均采用上述基于特征空間分解的快速自適應(yīng)波束合成方法。
進(jìn)一步的,對(duì)于二維面陣超聲換能器,將二維面陣分為x軸與y軸(參見(jiàn)中國(guó)專利“超聲二維面陣的三維寬波束小區(qū)域快速空化成像方法”,CN104777485A),然后分別按照步驟1)至步驟4)在x軸及y軸方向進(jìn)行波束合成(針對(duì)x軸及y軸方向上的每一個(gè)線陣)。
本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
為提高成像速度,預(yù)先在給定的相同的成像環(huán)境下得到各通道的權(quán)值向量。此權(quán)值向量的計(jì)算采用EIBMV波束合成,即將各通道回波信號(hào)的自相關(guān)矩陣進(jìn)行特征空間分解,給定閾值挑選出其中較大的特征向量來(lái)構(gòu)造信號(hào)子空間,最終的權(quán)值向量是將此信號(hào)子空間與MV波束合成得到的權(quán)值向量相乘得到。對(duì)此權(quán)值向量進(jìn)行主成分分析得到的主成分可以作為真正的EIBMV權(quán)值進(jìn)行波束合成,這在統(tǒng)計(jì)學(xué)中已得到驗(yàn)證。因此,只要成像環(huán)境和相關(guān)條件確定不變,波束合成的權(quán)值可以采用此預(yù)先求知的權(quán)值向量,因此簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程。
而為了進(jìn)一步壓制旁瓣和雜波以提高最終得到圖像的對(duì)比度及分辨率,采用DAX多重變跡方法。在每次進(jìn)行波束合成之前改變換能器的工作模式,即以M個(gè)陣元為間隔,將換能器全部陣元分為兩組,第一組陣元對(duì)應(yīng)通道為第(1…M,2M+1…3M,4M+1…5M,…)通道,第二組陣元對(duì)應(yīng)第(M+1…2M,3M+1…4M,5M+1…6M,…)通道。在用第一組陣元進(jìn)行波束合成時(shí),將第二組陣元對(duì)應(yīng)的通道信號(hào)設(shè)為零值,在用第二組陣元進(jìn)行波束合成時(shí),將第一組陣元對(duì)應(yīng)的通道信號(hào)設(shè)為零值。然后計(jì)算兩組波束合成后的數(shù)據(jù)的互相關(guān)系數(shù),通過(guò)改變M的值,可以得到多個(gè)互相關(guān)系數(shù)值,分別與全陣元工作模式下波束合成的數(shù)據(jù)相乘后疊加再進(jìn)行歸一化處理,此時(shí)的各通道信號(hào)的旁瓣和其他干擾已經(jīng)得到較大抑制。
其次,改善分辨率用到NSI零值剪影成像,通過(guò)將每次波束合成中求得的權(quán)值分為左右對(duì)稱的兩組,左側(cè)保持不變,右側(cè)變?yōu)樵瓉?lái)的相反數(shù),用此零均值處理的權(quán)值對(duì)對(duì)應(yīng)通道信號(hào)加權(quán)。
最后,將多重變跡DAX與NSI兩次處理后的數(shù)據(jù)相減,歸一化之后進(jìn)行包絡(luò)檢波和對(duì)數(shù)壓縮,用于最終成像。
總之,本發(fā)明將提高對(duì)比度的EIBMV波束合成與降低計(jì)算量的PCA、提高圖像分辨率的DAX和NSI組合在一起,實(shí)現(xiàn)了一維和二維基于特征空間分解的多重變跡快速自適應(yīng)波束合成方法,克服了MV波束合成得到圖像對(duì)比度、分辨率不佳等問(wèn)題。
附圖說(shuō)明
圖1為用于采集數(shù)據(jù)的超聲線陣換能器的結(jié)構(gòu)示意圖,其中:(a)超聲線陣換能器立體視圖;(b)俯視圖。
圖2為應(yīng)用DAS波束合成得到的超聲圖像,其中:(a)點(diǎn)散射子;(b)低回聲仿體。
圖3為應(yīng)用本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于特征空間分解的多重變跡快速一維自適應(yīng)波束合成方法得到的超聲圖像,其中:(a)點(diǎn)散射子;(b)低回聲仿體。
圖4為DAS和本發(fā)明設(shè)計(jì)的波束合成方法(Proposed)所得圖像的橫向分辨率的對(duì)比。
圖5本發(fā)明中應(yīng)用的多重變跡技術(shù)中改變線陣換能器工作模式的示意圖,其中(a)M=2;(b)M=4;(c)M=8。
圖6本發(fā)明中基于特征空間分解的多重變跡快速二維自適應(yīng)波束合成方法流程圖,其中:1.時(shí)間延遲;2.沿x軸基于特征空間分解的多重變跡快速自適應(yīng)波束合成;3.沿y軸基于特征空間分解的多重變跡快速自適應(yīng)波束合成;4.二維波束合成輸出。
圖7為應(yīng)用本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于特征空間分解的多重變跡快速二維自適應(yīng)波束合成方法得到的超聲仿真圖像。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明所述基于特征空間分解的多重變跡快速自適應(yīng)波束合成方法,仍然基于MV波束合成,實(shí)現(xiàn)方案如下:
一、基于特征空間分解的多重變跡快速一維自適應(yīng)波束合成方法
線陣換能器向成像區(qū)域發(fā)射平面波,遇到目標(biāo)后發(fā)生散射,產(chǎn)生與發(fā)射方向相反的回波;利用數(shù)據(jù)采集卡對(duì)超聲回波信號(hào)進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)化為射頻數(shù)據(jù),然后將所有陣元的射頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并傳送給計(jì)算機(jī);根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)位置,計(jì)算回波信號(hào)的時(shí)間延遲,并對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行時(shí)間校正:假設(shè)用于波束合成的線陣陣元個(gè)數(shù)為P,因?yàn)槌上裨诙S平面,因此空間目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)為(x,0,z),接收陣元的回波信號(hào)相對(duì)于參考陣元的時(shí)間延遲為:
其中,i=1,...,P,c為聲速。
則每個(gè)陣元的延遲校正后的回波信號(hào)為:
yi(t)=xi(t-Δi(t))
其中,xi(t)表示每個(gè)陣元原始的接收信號(hào)。
波束合成的目標(biāo)是對(duì)接收信號(hào)優(yōu)化加權(quán)以去除來(lái)自其他非合成方向的雜波等干擾信號(hào),在MV波束合成中權(quán)值的選擇是在滿足合成波束方向上的增益等于1的條件下使輸出信號(hào)能量最小,即
min E[|z(t)|2]=min wH(t)Rw(t),滿足wH(t)a=1
其中E[·]表示求輸出信號(hào)的期望,w(t)=[ω1(t),ω2(t),…,ωP(t)]表示各通道的權(quán)值,wH(t)是對(duì)w(t)的共軛轉(zhuǎn)置,a是方向向量,因?yàn)榻邮招盘?hào)已經(jīng)經(jīng)過(guò)延遲,所以a本質(zhì)上是單位向量。R是各通道信號(hào)的協(xié)方差矩陣:
R=E[y(t)yH(t)],其中y(t)=[y1(t),y2(t),…,yP(t)]
通過(guò)拉格朗日乘子法求得w(t):
實(shí)際數(shù)據(jù)處理過(guò)程都是在數(shù)字域進(jìn)行,接收的回波信號(hào)都需要經(jīng)過(guò)采樣轉(zhuǎn)換為離散樣本值,因此協(xié)方差矩陣應(yīng)該表示為:
其中,Ns表示每個(gè)通道的總采樣點(diǎn)數(shù)。
因?yàn)楦麝囋邮盏某暬夭ㄐ盘?hào)是高度相關(guān)的,這與MV波束合成對(duì)合成方向與其他方向信號(hào)不相關(guān)的假設(shè)是相悖的,因此為了克服此問(wèn)題:采用子陣元平均或稱為空間平滑的方法,即將用于合成波束的P(與后面的NSI方法選擇的陣元集合對(duì)應(yīng))個(gè)陣元?jiǎng)澐譃镻-L+1個(gè)互相重疊的子陣,L是子陣長(zhǎng)度;同時(shí)為了保持散斑統(tǒng)計(jì)特性,在合成波束深度方向?qū)⑾噜彽?K+1個(gè)樣本值進(jìn)行平均,K一般取為兩個(gè)波長(zhǎng)的采樣點(diǎn)數(shù),以對(duì)應(yīng)深度為第k個(gè)采樣點(diǎn)為例,經(jīng)過(guò)上述兩個(gè)過(guò)程得到的協(xié)方差矩陣表示為:
其中yl(n)=[yl(n),yl+1(n),…,yl+L-1(n)]T。在計(jì)算過(guò)程中,只有上述樣本值參與,因此為了增強(qiáng)協(xié)方差矩陣的魯棒性,引入對(duì)角加載(Diagonal Loading,DL)技術(shù),即用加載協(xié)方差矩陣(I為單位陣)代替其中為加載量,Δ=1/P。因此:
如果每次波束合成都要重復(fù)上述步驟,將帶來(lái)極大的計(jì)算量。因此在成像環(huán)境和相關(guān)條件不變的情況下,可以利用主成分分析PCA來(lái)減少計(jì)算時(shí)間。具體步驟:
1)在給定的成像條件下,先進(jìn)行MV波束合成求得各通道權(quán)值向量wMV,并將其作為樣本進(jìn)行主成分分析。
2)計(jì)算權(quán)值向量的協(xié)方差矩陣RW:
其中,wq是第q個(gè)MV權(quán)值向量,μ是所有權(quán)值向量樣本的均值,Q為權(quán)值向量樣本數(shù),要求要大于或等于空間平滑所設(shè)定的子陣元數(shù)目;
3)對(duì)RW進(jìn)行特征分解:RW=VΛVH;Λ是對(duì)角矩陣,主對(duì)角線上的值由RW的特征值按照降序組成,V由RW的特征向量組成,彼此正交,且與Λ中的特征值一一對(duì)應(yīng)。
4)因?yàn)閂是滿秩矩陣,因此MV波束合成中要計(jì)算的wMV都可以表示為組成V的特征向量的線性組合,即wMV=Vβ,進(jìn)而將求最優(yōu)權(quán)值的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求最優(yōu)β的問(wèn)題,即:
minβHR1β,滿足βHv1=1
其中R1=VHRV,R=E[y·yH]是指用于求解wMV時(shí)的各通道信號(hào)的協(xié)方差矩陣,y為經(jīng)過(guò)延時(shí)處理之后用于波束合成的各通道信號(hào);v1=VHa,a為方向向量;
5)根據(jù)拉格朗日乘子法求得:
6)將R1重寫為R1=E[u·uH],其中u=VHy=[u1,u2,…,uP]T。然后對(duì)R1進(jìn)行空間平滑處理和深度方向的樣本值平均:
其中P為用于波束合成的陣元總數(shù)目,L為空間平滑處理中設(shè)定的子陣元數(shù)目,要求L≤P/2,K為深度方向上用于平均處理的點(diǎn)數(shù);然后進(jìn)行對(duì)角加載(Diagonal Loading,DL),即用代替其中為加載量,Δ1=1/P;通過(guò)主成分分析發(fā)現(xiàn)wMV的能量主要集中在前幾個(gè)主成分,因此只需要選擇很少數(shù)目的主成分即可代表MV波束合成的權(quán)值空間,用表示,即由V的前I個(gè)主成分組成,要滿足I<L;
7)計(jì)算
其中:但是此時(shí)計(jì)算得到的是不穩(wěn)定的,因?yàn)榈拿恳涣械脑睾涂赡転榱阒担瑢?dǎo)致進(jìn)而無(wú)法滿足這一問(wèn)題源于在計(jì)算RW時(shí)對(duì)樣本權(quán)值向量進(jìn)行了中心化處理,這是PCA中很重要的一個(gè)步驟,卻也因此消除了V中每一列的直流成分,使得約束條件很難滿足,而這對(duì)于基于MV的自適應(yīng)波束合成又是基本要求。因此,需要給再加入直流成分,即在中插入一個(gè)列,與其他向量正交,且該列的每個(gè)元素值均為
在上述步驟,通過(guò)對(duì)預(yù)先在相同成像條件下采集的wMV權(quán)值向量作為樣本進(jìn)行主成分分析來(lái)降低進(jìn)行權(quán)值計(jì)算時(shí)所需的協(xié)方差矩陣的維數(shù),可以很大程度減少計(jì)算量。而對(duì)于MV波束合成存在的超聲圖像對(duì)比度不高的問(wèn)題,用到基于特征空間的自適應(yīng)波束合成,EIBMV利用已經(jīng)計(jì)算得到的wMV,將其投影到協(xié)方差矩陣的信號(hào)子空間。具體計(jì)算:
1)將進(jìn)行特征分解:ΛS是對(duì)角矩陣,主對(duì)角線上的值由的特征值按照降序組成,Vs由的特征向量組成,彼此正交,且與ΛS中的特征值一一對(duì)應(yīng);
2)構(gòu)造信號(hào)子空間ES:設(shè)定ΛS中特征值的閾值為最大特征值的δ倍(一般為0.1-0.4),從而從VS中選擇對(duì)應(yīng)特征值大于此閾值的特征向量來(lái)構(gòu)造信號(hào)子空間ES,以盡可能保證此特征空間包含了主瓣信號(hào)而消除了旁瓣和雜波信號(hào);
3)計(jì)算wEIBMV:
以上完成波束合成的權(quán)值確定過(guò)程。而為了進(jìn)一步壓制旁瓣和雜波同時(shí)減小主瓣寬度,提高分辨率,采用NSI零值減影成像技術(shù)和DAX多重變跡技術(shù),具體步驟:
1)進(jìn)行波束合成之前改變換能器的工作模式,即以M個(gè)陣元為間隔陣元,將換能器中用于波束合成的全部陣元分為兩組,第一組陣元對(duì)應(yīng)通道為第(1…M,2M+1…3M,4M+1…5M,…)通道,第二組陣元對(duì)應(yīng)第(M+1…2M,3M+1…4M,5M+1…6M,…)通道。在用第一組陣元進(jìn)行波束合成時(shí),將第二組陣元對(duì)應(yīng)的通道信號(hào)設(shè)為零值,在用第二組陣元進(jìn)行波束合成時(shí),將第一組陣元對(duì)應(yīng)的通道信號(hào)設(shè)為零值;然后計(jì)算兩組陣元波束合成后的數(shù)據(jù)的互相關(guān)系數(shù),通過(guò)改變M的值,得到多個(gè)互相關(guān)系數(shù)值;
2)在全陣元工作模式下進(jìn)行波束合成得到輸出數(shù)據(jù);與1)中得到的對(duì)應(yīng)于不同M值的各個(gè)互相關(guān)系數(shù)相乘后疊加再進(jìn)行歸一化處理,得到第一組輸出數(shù)據(jù)集;
3)在全陣元工作模式下進(jìn)行波束合成,將求得的權(quán)值向量在合成波束所用陣元的方向分為左右對(duì)稱的兩部分,左側(cè)的權(quán)值保持不變,右側(cè)的權(quán)值變?yōu)樵档南喾磾?shù),用形成的新的權(quán)值向量對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行加權(quán),得到第二組輸出數(shù)據(jù)集;
4)將2)和3)中得到的兩組數(shù)據(jù)集相減后進(jìn)行歸一化處理,在經(jīng)過(guò)后續(xù)的包絡(luò)檢波、對(duì)數(shù)壓縮等進(jìn)一步的信號(hào)處理步驟后即可用于超聲成像。
二、基于特征空間分解的多重變跡快速二維自適應(yīng)波束合成方法
將二維面陣分為x軸與y軸;首先按照x軸對(duì)時(shí)延后的信號(hào)進(jìn)行基于特征空間分解的多重變跡快速一維自適應(yīng)波束合成方法中的快速超聲自適應(yīng)波束合成的計(jì)算,隨后進(jìn)行基于特征空間分解的多重變跡快速一維自適應(yīng)波束合成方法中的多重變跡疊加;在此基礎(chǔ)上,再按照y軸重復(fù)上述步驟,得到最終的二維基于特征空間分解的多重變跡快速自適應(yīng)波束合成的結(jié)果,具體的:
2.1沿x軸波束合成
1)在給定的成像條件下,先按照x軸進(jìn)行MV波束合成求得權(quán)值向量wxMV,并將其作為樣本進(jìn)行主成分分析。要保證預(yù)先求得的權(quán)值向量的個(gè)數(shù)不小于空間平滑中設(shè)定的沿x軸子陣長(zhǎng)度L;
2)計(jì)算權(quán)值向量的協(xié)方差矩陣RxW:
其中,wxq是沿x軸第q個(gè)MV權(quán)值向量,μx是所有權(quán)值向量樣本的均值,Q為權(quán)值向量樣本數(shù),要求要大于或等于空間平滑所設(shè)定的子陣元數(shù)目;
3)對(duì)RxW進(jìn)行特征分解:RxW=VxΛxVxH;Vx是對(duì)角矩陣,主對(duì)角線上的值由RxW的特征值按照降序組成,Vx由RxW的特征向量組成,彼此正交,且與Λx中的特征值一一對(duì)應(yīng);
4)將MV波束合成中要計(jì)算的wxMV可以表示為組成Vx的特征向量的線性組合,即wxMV=Vxβx,進(jìn)而將求最優(yōu)權(quán)值的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求最優(yōu)βx的問(wèn)題,即:
minβxHRx1βx,滿足βxβxHvx1=1
其中Rx1=VxHRxVx,Rx=E[yx·yxH]是指用于求解wxMV時(shí)的各通道信號(hào)的協(xié)方差矩陣,yx為經(jīng)過(guò)延時(shí)處理之后用于x方向波束合成的各通道信號(hào);vx1=VxHa,a為方向向量;
5)根據(jù)拉格朗日乘子法求得:
6)將Rx1重寫為其中同樣對(duì)Rx1進(jìn)行空間平滑處理和深度方向的樣本值平均:
其中然后進(jìn)行對(duì)角加載DL,即代替其中為加載量,Δ1=1/P。通過(guò)主成分分析發(fā)現(xiàn)wxMV的能量主要集中在前幾個(gè)主成分,因此只需要選擇很少數(shù)目的主成分即可代表MV波束合成的權(quán)值空間,用表示,由Vx的前I個(gè)主成分組成,要滿足I<L;
7)計(jì)算其中:并給加入直流成分;
8)按照特征分解的方式將進(jìn)行特征分解,并按照前述構(gòu)造信號(hào)子空間ES的方式構(gòu)造信號(hào)子空間ExS;
9)計(jì)算wxEIBMV:
以上完成沿x方向波束合成的權(quán)值確定過(guò)程。而為了進(jìn)一步壓制旁瓣和雜波同時(shí)減小主瓣寬度,提高分辨率,采用NSI零值減影成像技術(shù)和DAX多重變跡技術(shù),具體步驟:
1)進(jìn)行波束合成之前改變換能器的工作模式,即沿x軸以M個(gè)陣元為間隔陣元,將換能器中用于波束合成的全部陣元分為兩組,第一組陣元對(duì)應(yīng)通道為沿x方向第(1…M,2M+1…3M,4M+1…5M,…)通道,第二組陣元對(duì)應(yīng)第(M+1…2M,3M+1…4M,5M+1…6M,…)通道。在用第一組陣元進(jìn)行波束合成時(shí),將第二組陣元對(duì)應(yīng)的通道信號(hào)設(shè)為零值,在用第二組陣元進(jìn)行波束合成時(shí),將第一組陣元對(duì)應(yīng)的通道信號(hào)設(shè)為零值;然后計(jì)算兩組陣元波束合成后的數(shù)據(jù)的互相關(guān)系數(shù),通過(guò)改變M的值,可以得到多個(gè)互相關(guān)系數(shù)值;
2)在全陣元工作模式下進(jìn)行波束合成得到輸出數(shù)據(jù)集;與1)中得到的對(duì)應(yīng)于不同M值的各個(gè)互相關(guān)系數(shù)相乘后疊加再進(jìn)行歸一化處理,得到第一組輸出數(shù)據(jù)集。此時(shí)的各通道信號(hào)的旁瓣和其他干擾已經(jīng)得到較大抑制;
3)在全陣元工作模式下進(jìn)行波束合成,將每次波束合成求得的wxEIBMV在合成波束所用陣元的方向分為左右對(duì)稱的兩部分,左側(cè)的權(quán)值保持不變,右側(cè)的權(quán)值變?yōu)樵档南喾磾?shù);用形成的新的權(quán)值向量對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行加權(quán),得到第二組輸出數(shù)據(jù)集;
4)將2)和3)中得到的兩組數(shù)據(jù)集相減后得到沿x軸方向波束合成結(jié)果。
2.2沿y軸波束合成
1)在給定的成像條件下,先按照y軸進(jìn)行MV波束合成求得權(quán)值向量wyMV,并將其作為樣本進(jìn)行主成分分析。要保證預(yù)先求得的權(quán)值向量的個(gè)數(shù)不小于空間平滑中設(shè)定的沿y軸子陣長(zhǎng)度L;
2)計(jì)算權(quán)值向量的協(xié)方差矩陣RyW:
其中,wyq是沿y軸第q個(gè)MV權(quán)值向量,μy是所有權(quán)值向量樣本的均值,Q為權(quán)值向量樣本數(shù),要求要大于或等于空間平滑所設(shè)定的子陣元數(shù)目;
3)對(duì)RyW進(jìn)行特征分解:Ryy=VyΛyVyH;Vy是對(duì)角矩陣,主對(duì)角線上的值由Ryw的特征值按照降序組成,Vy由Ryw的特征向量組成,彼此正交,且與Λy中的特征值一一對(duì)應(yīng);
4)將MV波束合成中要計(jì)算的wyMV都可以表示為組成Vy的特征向量的線性組合,即wyMV=Vyβy,進(jìn)而將求最優(yōu)權(quán)值的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求最優(yōu)βy的問(wèn)題,即:
minβyHRy1βy,滿足βyβyHvy1=1
其中Ry1=VyHRyVy,Ry=E[yy·yyH]是指用于求解wyMV時(shí)的各通道信號(hào)的協(xié)方差矩陣,yy為經(jīng)過(guò)延時(shí)處理之后用于xy方向波束合成的各通道信號(hào);vy1=VyHa,a為方向向量。
5)根據(jù)拉格朗日乘子法求得:
6)將Ry1重寫為其中同樣對(duì)Ry1進(jìn)行空間平滑處理和深度方向的樣本值平均:
其中然后進(jìn)行對(duì)角加載DL,即代替其中為加載量,Δ1=1/P。通過(guò)主成分分析發(fā)現(xiàn)wyMV的能量主要集中在前幾個(gè)主成分,因此只需要選擇很少數(shù)目的主成分即可代表MV波束合成的權(quán)值空間;
7)計(jì)算其中:并給加入直流成分;
8)按照特征分解的方式將進(jìn)行特征分解,并按照前述構(gòu)造信號(hào)子空間ES的方式構(gòu)造信號(hào)子空間EyS;
9)計(jì)算wyEIBMV:
以上完成波束合成的權(quán)值確定過(guò)程。而為了進(jìn)一步壓制旁瓣和雜波同時(shí)減小主瓣寬度,提高分辨率,采用NSI零值減影成像技術(shù)和DAX多重變跡技術(shù),具體步驟:
1)進(jìn)行波束合成之前改變換能器的工作模式,即沿y軸以M個(gè)陣元為間隔陣元,將換能器中用于波束合成的全部陣元分為兩組,第一組陣元對(duì)應(yīng)通道為沿y方向第(1…M,2M+1…3M,4M+1…5M,…)通道,第二組陣元對(duì)應(yīng)第(M+1…2M,3M+1…4M,5M+1…6M,…)通道。在用第一組陣元進(jìn)行波束合成時(shí),將第二組陣元對(duì)應(yīng)的通道信號(hào)設(shè)為零值,在用第二組陣元進(jìn)行波束合成時(shí),將第一組陣元對(duì)應(yīng)的通道信號(hào)設(shè)為零值;然后計(jì)算兩組陣元波束合成后的數(shù)據(jù)的互相關(guān)系數(shù),通過(guò)改變M的值,可以得到多個(gè)互相關(guān)系數(shù)值;
2)在全陣元工作模式下進(jìn)行波束合成得到輸出數(shù)據(jù)集;與1)中得到的對(duì)應(yīng)于不同M值的各個(gè)互相關(guān)系數(shù)相乘后疊加再進(jìn)行歸一化處理,得到第一組輸出數(shù)據(jù)集。此時(shí)的各通道信號(hào)的旁瓣和其他干擾已經(jīng)得到較大抑制;
3)在全陣元工作模式下進(jìn)行波束合成,將每次波束合成求得的wyEIBMV在合成波束所用陣元的方向分為左右對(duì)稱的兩部分,左側(cè)的權(quán)值保持不變,右側(cè)的權(quán)值變?yōu)樵档南喾磾?shù);用形成的新的權(quán)值向量對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行加權(quán),得到第二組輸出數(shù)據(jù)集;
4)將2)和3)中得到的兩組數(shù)據(jù)集相減后得到沿y軸波束合成結(jié)果。
2.3在兩個(gè)方向波束合成后最終得到的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行歸一化處理,再經(jīng)過(guò)后續(xù)的包絡(luò)檢波、對(duì)數(shù)壓縮等進(jìn)一步的信號(hào)處理步驟后即可用于超聲三維成像(三維成像參見(jiàn)中國(guó)專利“超聲二維面陣的三維寬波束小區(qū)域快速空化成像方法”,CN104777485A)。
三、發(fā)明效果驗(yàn)證
1、采用基于特征空間分解的多重變跡快速一維自適應(yīng)波束合成方法
以圖1所示超聲線陣換能器的陣列為例,其單陣元尺寸為0.27mm×0.27mm,換能器陣元間距為0.3mm,陣元與通道數(shù)為128。發(fā)射中心頻率為7MHz,焦點(diǎn)距離線陣幾何中心20mm。
多重變跡技術(shù)中超聲換能器的工作模式如下:
進(jìn)行波束合成之前,將線陣換能器的陣元以M個(gè)陣元為間隔分為兩組,再各自進(jìn)行波束合成。具體在得到圖3的超聲圖像時(shí),設(shè)定了3個(gè)M的值,分別為2、4、8(如圖5所示,其中ON表示的為兩組中的一組)。第一次將陣元以2為間隔分組,將得到的合成后的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算去掉二者共有的雜波信號(hào)而保留各自獨(dú)有的主瓣信號(hào)特征,給得到的系數(shù)矩陣設(shè)定一個(gè)閾值ρ,即大于ρ的系數(shù)保持不變,小于ρ的系數(shù)設(shè)定其值等于ρ,然后與全陣元工作模式下得到的波束合成數(shù)據(jù)相乘;改變M的值,重復(fù)以上操作,將得到的三組數(shù)據(jù)相加后進(jìn)行歸一化處理,這就是多重變跡技術(shù)在本發(fā)明中的應(yīng)用。
上述基于特征空間分解的多重變跡快速一維自適應(yīng)波束合成方法與DAS波束合成的對(duì)比如圖2、圖3所示,用圖1中的線陣換能器發(fā)射平面波,將采集到的兩組數(shù)據(jù)分別用DAS波束合成和基于特征空間分解的多重變跡快速自適應(yīng)波束合成方法進(jìn)行處理。得到的超聲圖像表明,本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)波束合成方法在圖像對(duì)比度、分辨率方面要明顯優(yōu)于DAS波束合成方法。
如圖4所示,對(duì)以上兩種波束合成方法得到的超聲圖像的橫向分辨率進(jìn)行量化對(duì)比,選取深度為35mm處的圖像信息。結(jié)果表明用本發(fā)明的自適應(yīng)波束合成方法處理得到的圖像橫向分辨率相比DAS波束合成方法提高了大約2倍。
2、基于特征空間分解的多重變跡快速二維自適應(yīng)波束合成方法
所采用二維面陣超聲換能器(舉例說(shuō)明),其二維面陣規(guī)格32×32,單陣元尺寸為0.3mm×0.3mm,換能器陣元間距為0.1mm。發(fā)射中心頻率為7MHz。
方法流程如圖6所示,首先按照x軸對(duì)時(shí)延后的信號(hào)進(jìn)行一維基于特征空間分解的多重變跡快速自適應(yīng)波束合成方法中的快速超聲自適應(yīng)波束合成的計(jì)算,隨后進(jìn)行一維基于特征空間分解的多重變跡快速自適應(yīng)波束合成方法中的多重變跡疊加;在此基礎(chǔ)上,再按照y軸重復(fù)上述步驟,得到最終的二維基于特征空間分解的多重變跡快速自適應(yīng)波束合成的結(jié)果。
仿真結(jié)果如圖7所示,其結(jié)果能夠高分辨顯示空間中各個(gè)目標(biāo)的分布。