一種應(yīng)用于超聲成像的穩(wěn)健寬帶自適應(yīng)波束形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)超聲診斷及超聲無損檢測等領(lǐng)域，尤其涉及到一種應(yīng)用于超聲成 像的穩(wěn)健寬帶自適應(yīng)波束形成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)超聲診斷及超聲無損檢測系統(tǒng)中普遍使用了延時(shí)疊加的波束形成方 法，這種方法簡單可靠，易于實(shí)現(xiàn)，但性能卻比較一般。為提高超聲成像的質(zhì)量，最小方差自 適應(yīng)波束形成方法受到了廣泛的關(guān)注，然而這種方法面臨如下的兩個(gè)主要問題：（1)經(jīng)典 的最小方差波束形成方法是根據(jù)窄帶信號(hào)的模型所提出的，而超聲成像領(lǐng)域的回波信號(hào)一 般屬于寬帶信號(hào)的范疇，所以直接將最小方差波束形成方法應(yīng)用于超聲成像中并未能充分 展現(xiàn)出原方法的優(yōu)勢；(2)對(duì)于非均勻介質(zhì)的成像過程中往往存在著相位畸變，導(dǎo)致最小 方差波束形成方法中的協(xié)方差矩陣和導(dǎo)向矢量的估計(jì)存在一定誤差，繼而影響了該方法的 穩(wěn)健性，難以在較為復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境中實(shí)現(xiàn)理想的性能。
[0003] 目前存在的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法，大都圍繞在協(xié)方差矩陣的重構(gòu)及導(dǎo)向矢量 的估計(jì)上，如在最小方差波束形成方法中，常使用對(duì)角加載技術(shù)來提高協(xié)方差矩陣估計(jì)的 穩(wěn)健性，這種方法簡單易行，而對(duì)角加載因子這一參數(shù)的選取則對(duì)性能有著重要的影響。采 用前后向相結(jié)合的空間平滑方式對(duì)超聲回波信號(hào)去相干，無需使用對(duì)角加載即可在一定程 度上保證協(xié)方差矩陣估計(jì)的穩(wěn)健性，同時(shí)也能夠提高最終成像的對(duì)比度。但上述方法都集 中在時(shí)域內(nèi)處理，并未充分考慮到超聲回波信號(hào)的寬帶性特點(diǎn)，也未能對(duì)相位畸變條件下 失配的導(dǎo)向矢量進(jìn)行有效的估計(jì)，導(dǎo)致最終的性能提升較為有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，對(duì)最小方差自適應(yīng)波束形成方法進(jìn)行改進(jìn)，充分利 用超聲回波信號(hào)的寬帶性特點(diǎn)，在頻域內(nèi)對(duì)真實(shí)環(huán)境下的導(dǎo)向矢量進(jìn)行重構(gòu)，使其能在相 位畸變的條件下具備較為穩(wěn)健的性能，并同時(shí)提高非均勻介質(zhì)下的超聲成像質(zhì)量。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于超聲成像的穩(wěn)健寬帶自適應(yīng)波束形成 方法，應(yīng)用于等間距的M個(gè)陣元的超聲換能器陣列中，該方法主要使用在對(duì)接收的回波數(shù) 據(jù)進(jìn)行波束形成處理的階段，包括以下的步驟：
[0006] 將所得到的超聲回波數(shù)據(jù)由時(shí)域轉(zhuǎn)換至頻域，然后進(jìn)行頻帶的劃分；
[0007] 計(jì)算所述頻帶劃分后的各子頻帶的協(xié)方差矩陣；
[0008] 根據(jù)得到的所述協(xié)方差矩陣，利用特征空間分解方法將假定的導(dǎo)向矢量投影在信 號(hào)子空間中；
[0009] 通過凸優(yōu)化方法估計(jì)真實(shí)的導(dǎo)向矢量；
[0010] 利用最小方差方法的基本原理，得到各子頻帶空間的波束形成處理結(jié)果；
[0011] 對(duì)所述各子頻帶空間的波束形成處理結(jié)果進(jìn)行疊加，并轉(zhuǎn)換到時(shí)域，得到用于最 終成像的輸出結(jié)果。
[0012] 進(jìn)一步地，所述將所得到的超聲回波數(shù)據(jù)由時(shí)域轉(zhuǎn)換至頻域，然后進(jìn)行頻帶的劃 分步驟，包括：
[0013] 對(duì)B模式超聲成像下每一根掃描線相應(yīng)的各個(gè)陣元所接收到回波數(shù)據(jù)進(jìn)行短時(shí) 傅立葉變換，將變換后所得到的頻域數(shù)據(jù)劃分為K個(gè)子頻帶。
[0014] 更進(jìn)一步地，所述將所得到的超聲回波數(shù)據(jù)由時(shí)域轉(zhuǎn)換至頻域，然后進(jìn)行頻帶的 劃分步驟包括：
[0015] 根據(jù)發(fā)射的脈沖寬度預(yù)先設(shè)計(jì)出所述短時(shí)傅立葉變換的窗函數(shù)的寬度，然后進(jìn)行 回波數(shù)據(jù)空間的劃分；
[0016] 對(duì)所述回波數(shù)據(jù)空間劃分后的各段數(shù)據(jù)進(jìn)行"補(bǔ)零"處理，然后由時(shí)域轉(zhuǎn)換至頻 域；
[0017] 對(duì)所述頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行頻帶的劃分。
[0018] 進(jìn)一步地，所述計(jì)算所述頻帶劃分后的各子頻帶的協(xié)方差矩陣步驟，包括：
[0019] 對(duì)各子頻帶的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間平滑處理，其中以L個(gè)陣元為一組來計(jì)算協(xié)方差矩 陣，共分為M-L+1組，計(jì)算的公式如下：
[0021] 其中，:&(?,)是協(xié)方差矩陣，是頻域上的回波數(shù)據(jù)，的共輒轉(zhuǎn) 置，i=l，2，…，K，K為子頻帶的個(gè)數(shù)。
[0022] 更進(jìn)一步地，所述利用特征空間分解方法將假定的導(dǎo)向矢量投影在信號(hào)子空間中 的步驟，包括：
[0023] 按下式對(duì)得到的協(xié)方差矩陣在特征空間進(jìn)行分解：
[0024] R=UAU^ -UsAsU/+UpApUf
[0025] 其中A=diag[入!，入2, ? ? ?，入_…，入J，且特征值（入！多入2多…入num多…彡入L)， U= [1?,?,... ,Unum,...uj是與之相對(duì)應(yīng)的特征矢量，選取參數(shù)P介于0. 1~0. 5,滿足 入num彡員入1;
[0026] 將整個(gè)特征空間劃分為信號(hào)子空間Us及噪聲子空間Up兩部分。
[0027] 利用得到的信號(hào)子空間Us，計(jì)算假定的導(dǎo)向矢量&在信號(hào)子空間內(nèi)的投影：
[0028] a二
[0029] 其中，Us為信號(hào)子空間，USH為Us的共輒轉(zhuǎn)置，假定的導(dǎo)向矢量&中的元素均取為 "1"。
[0030] 更進(jìn)一步地，所述通過凸優(yōu)化方法估計(jì)真實(shí)的導(dǎo)向矢量，包括：
[0031] 利用凸優(yōu)化方法估計(jì)真實(shí)情況下的導(dǎo)向矢量a，計(jì)算公式如下：：
[0034] 其中，免1是協(xié)方差矩陣的逆，導(dǎo)向矢量S是假定導(dǎo)向矢量在信號(hào)子空間內(nèi)的投影， 參數(shù)e是所設(shè)定的誤差范圍，一般介于
[0035] 更進(jìn)一步地，所述利用最小方差方法的基本原理，得到各子頻帶空間的波束形成 處理結(jié)果，包括：
[0036] 根據(jù)得到的協(xié)方差矩陣及真實(shí)情況下的導(dǎo)向矢量，利用最小方差波束形成的基本 原理計(jì)算出一組最優(yōu)權(quán)向量；
[0037] 具體地，按如下公式進(jìn)行計(jì)算：
[0039] 其中wMV(to是最優(yōu)向量，R .V(辮）是得到的協(xié)方差矩陣的逆，導(dǎo)向矢量a是估計(jì)的 真實(shí)情況下的結(jié)果；
[0040] 根據(jù)得到的最優(yōu)權(quán)向量以及如下公式計(jì)算出各子頻帶數(shù)據(jù)的波束形成的輸出結(jié) 果：
[0042] 其中，<V⑷）是Wmv(CO1)的共輒轉(zhuǎn)置，Y(CO1)是第i個(gè)子頻帶的波束形成的輸出 結(jié)果，Xd(W1)是頻域上的回波數(shù)據(jù)。
[0043] 進(jìn)一步地，所述對(duì)所述各子頻帶數(shù)據(jù)的波束形成處理結(jié)果進(jìn)行疊加，得到頻域空 間的波束形成輸出結(jié)果步驟，包括：
[0044] 對(duì)每一段數(shù)據(jù)中的各子頻帶空間的波束形成的處理結(jié)果進(jìn)行累加，得到頻域空間 的波束形成輸出結(jié)果，計(jì)算的公式如下：
[0046] 其中，Y(co)是頻域空間的波束形成輸出結(jié)果，Y(CO1)是第i個(gè)子頻帶的波束形成 的輸出結(jié)果。
[0047] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0048] 本發(fā)明通過短時(shí)傅立葉變換將時(shí)域的回波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到各個(gè)子頻帶中處理，充分利 用了超聲回波信號(hào)的寬帶特點(diǎn)，能夠取得更為理想的性能；同時(shí)在各個(gè)頻帶內(nèi)將假定的導(dǎo) 向矢量投影在信號(hào)子空間內(nèi)，并采用凸優(yōu)化方法進(jìn)行重構(gòu)，提高了算法在相位畸變條件下 的穩(wěn)健性。
【附圖說明】
[0049] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的流程示意圖；
[0050] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的對(duì)原始時(shí)域上的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)延預(yù)處理的示意圖；
[0051] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的得到最終輸出結(jié)果的原理框圖；
[0052] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的各子頻帶空間進(jìn)行波束形成的處理過程。
【具體實(shí)施方式】
[0053] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0054] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種自適應(yīng)波束形成方法流程示意圖，本發(fā)明實(shí)施例 應(yīng)用于B模式下的超聲成像。等間距的M個(gè)陣元的超聲換能器陣列工作在B模式成像線性 掃描方式下，對(duì)所接收到的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行波束形成處理，每一根掃描線對(duì)應(yīng)著M個(gè)陣元的 接收信號(hào)（即M為陣元數(shù)目），并且每個(gè)陣元的采樣數(shù)目為N，在B模式超聲成像下每一根 掃描線對(duì)應(yīng)的所有陣元接收的回波數(shù)據(jù)可以用M*N的矩陣來描述。需要說明的是，這些時(shí) 域上的回波數(shù)據(jù)已經(jīng)經(jīng)過時(shí)延的預(yù)處理，圖2給出了時(shí)延預(yù)處理的示意圖，以下步驟中即 以預(yù)處理得到的X。作為默認(rèn)的處理對(duì)象，同時(shí)需要指出的是由于非均勻介質(zhì)的影響，回波 數(shù)據(jù)并不能保證得到完美的"對(duì)齊"，而本發(fā)明也無需對(duì)回波數(shù)據(jù)的時(shí)延預(yù)處理結(jié)果做出額 外的假設(shè)。圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的得到最終輸出結(jié)果的原理框圖，由圖1和圖3所示， 可知本發(fā)明實(shí)施例的的波束形成處理方法包括步驟101-103 :
[0055] 步驟101，將所得到的超聲回波數(shù)據(jù)由時(shí)域轉(zhuǎn)換至頻域，然后進(jìn)行頻帶的劃分；
[0056] 具體的，在B模式超聲成像下每一根掃描線中的所有陣元接收的回波數(shù)據(jù)可以用 M*N的矩陣來描述，其中M為陣元數(shù)目，N為采樣數(shù)目，需要說明的是，該回波數(shù)據(jù)已經(jīng)完成 了時(shí)延預(yù)處理，對(duì)該回波數(shù)據(jù)進(jìn)行短時(shí)傅立葉變換，并將變換后所得到的頻域數(shù)據(jù)劃分為K 個(gè)子頻帶，為在各個(gè)子空間內(nèi)的波束形成完成必要的準(zhǔn)備。
[0057] 下面進(jìn)一步詳細(xì)介紹所述步驟101的處理方法：
[0058] 步驟1011，根據(jù)發(fā)射的脈沖寬度預(yù)先設(shè)計(jì)出所述短時(shí)傅立葉變換的窗函數(shù)的寬 度，然后進(jìn)行回波數(shù)據(jù)空間的劃分；
[0059] 具體地，根據(jù)發(fā)射的脈沖寬度設(shè)計(jì)出合適的窗函數(shù)的寬度N1，將整個(gè)數(shù)據(jù)空間劃 分為Ng段；其中，N為采樣數(shù)目，Ng=N/N1并取其整數(shù)部分，即每一段對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)空間大 小為MXN1。需要進(jìn)一步說明的是，為保證最終成像的縱向分辨率，Nl-般不會(huì)超過發(fā)射脈 沖的寬度。
[0060] 步驟1012,對(duì)所述回波數(shù)據(jù)空間劃分后的各段數(shù)據(jù)進(jìn)行"補(bǔ)零"處理，然后由時(shí)域 轉(zhuǎn)換至頻域；
[0061] 具體地，在每個(gè)陣元所對(duì)應(yīng)的時(shí)域上的回波數(shù)據(jù)后添加（Nf-Nl)個(gè)"0"，然后對(duì)每 一段數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換處理，即將時(shí)域上的回波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻域，經(jīng)過短時(shí)傅里葉變換 后的回波數(shù)據(jù)將有Ng段；
[0062] 在處理過程中，為了短時(shí)傅立葉變換的便捷計(jì)算，Nf-般取2的指數(shù)冪，并滿足 Nf>2Nl，從而每一段數(shù)據(jù)空間的大小變?yōu)镸*Nf，即變換后得到的每一段頻域數(shù)據(jù)都是M*Nf 的矩陣；
[0063] 步驟1013,對(duì)所述頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行頻帶的劃分；
[0064] 具體地，上述步驟1012共得到Ng段M*Nf的頻域數(shù)據(jù)，對(duì)得到的頻域數(shù)據(jù)，進(jìn)行頻 帶劃分，將每一段頻帶劃分為K個(gè)子頻帶，其中，Nl〈K〈Nf/2。
[0065] 步驟102,對(duì)所述頻帶劃分后的各子頻帶空間進(jìn)行波束形成處理，得到所述各子頻 帶空間的波束形成處理結(jié)果；
[0066] 具體地，如圖4所示，在所劃分的各個(gè)子頻帶中，在獲得各子頻帶的協(xié)方差矩陣 后，先通過特征空間分解的方法將假定的導(dǎo)向矢量投影在信號(hào)子空間內(nèi)，然后通過凸優(yōu)化 方法估計(jì)實(shí)際情形下的導(dǎo)向矢量，繼而利用最小方差方法的基本原理，得到對(duì)各個(gè)子頻帶 空間波束形成輸出結(jié)果。
[0067] 下面以第i(i= 1，2，…，K)個(gè)子頻帶為例，詳細(xì)介紹步驟102的處理過程：
[0068] 步驟1021