特征空间最小方差波束形成与相关系数特征值加权相融合的超声成像算法

为了进一步提高超声成像的质量,提出一种信号特征空间的最小方差波束形成与相关系数特征值加权相融合的超声成像算法。利用超声回波信号具有一定的相关性,而相关系数空间最大特征值可以反映回波信号相关性较强的性质,将该特征值作为自适应加权系数对信号特征空间最小方差波束形成(EIBMV)的结果进行加权成像,得到高质量的成像结果。通过对散射点目标和斑目标的Field II仿真,结果表明该算法相对于EIBMV算法,亮斑对比度提高了4.22 dB,暗斑对比度提高了1.88 dB,并且进一步提高了横向分辨率。      

基于空间广义相干系数加权的医学合成孔径超声成像

为解决广义相干系数用于合成孔径成像中所存在的运算量大,图像对比度改善有限等问题,提出空间广义相干系数加权成像方法。该算法根据单个孔径成像结果之间的相干性来计算相干系数,通过加权空间合成进行成像。采用对FieldⅡ仿真点目标和吸声斑目标的数据进行成像表明,算法不仅使运算量减少N(N为阵元数)倍,而且相对于传统的广义相干系数算法,算法对散射点成像可提高信噪比7 dB,对于吸声斑成像可提高对比度3.2 dB。可见算法可以有效地提高成像速度和成像质量。      

改进的最小方差算法在超声成像中的应用

为了提高最小方差超声成像算法的分辨率、对比度以及对噪声的鲁棒性,提出一种改进的最小方差成像算法。该方法首先基于回波信号中期望信号与噪声信号的可分离性将信号划分为期望信号和噪声信号,然后根据最小方差原理,求出加权向量使期望信号功率最小,同时,为了增加算法对噪声的鲁棒性,对信号方向向量增加一对约束条件,进一步提高图像质量。在全发全收和合成孔径模式下对点目标和吸声斑进行仿真,结果表明所提算法在全发全收模式下,-6 dB处分辨率在最小方差基础上提高了1倍左右,在合成孔径模式下,对比度在特征空间最小方差算法基础上提高了8 dB,且远优于传统延时叠加算法。最后通过实验进一步表明改进的最小方差算法图像在分辨率、对比度及对噪声的鲁棒性等方面表现更优,可以有效的改善超声图像的质量。      

利用回波相干性的医学超声成像相位畸变校正方法

为了提高相位畸变条件下的医学超声成像的横向分辨率和对比度,提出了一种利用回波信号相干性的校正方法。首先给出平均相干系数的概念,并将其作为相位误差校正的度量,然后通过最大化平均相干系数逐步校正各个通道的延时误差,最后再利用经过校正的数据计算出一组新的相干系数并对回波信号进行加权优化,从而得到最终用于成像的数据。对点散射目标及斑散射目标的仿真结果分别显示,利用所提出的方法横向分辨率提高了约0.24 mm,对比度提高了约18 dB,且要优于邻近阵元互相关方法和相干系数直接加权的处理方法。利用回波相干性的相位畸变校正方法结合了相位误差校正和加权处理的优点,可以有效地改善医学超声成像的质量。      

子阵列差分系数加权的超声成像算法

传统的自适应加权系数可以有效改善超声图像的分辨率和对比度,但会影响背景图像的散斑特性,因此提出子阵列差分加权系数(SDF)以提升图像质量。该系数适用于传统线扫描超声成像,首先对阵列接收到的回波信号采用子阵列平滑的方式计算均值,得到信号中高相干性成份的强度,再用差分的方式反映相邻阵元回波信号之间的差异性,最后对延时叠加(DAS)成像结果进行加权成像。仿真和实验结果表明SDF (L=8)加权算法相对于传统的DAS成像算法,可以有效改善分辨率和对比度,其中仿真数据的对比度提高了62.9%,体模实验数据的对比度提高了74.7%。相对于相干系数(CF)、广义相干系数(GCF)和信号均值标准差系数(SMSF),SDF可以改善背景组织的成像质量,其中仿真图像的散斑信噪比(SSNR)分别提高了36.8%,5.7%和26.2%,体模实验图像的SSNR分别提高了48.6%,17.0%和20.9%。可见SDF系数可以有效改善超声成像的质量。      

一种广义旁瓣相消的超声成像算法

针对最小方差和相干系数结合算法在超声成像对比度、分辨率和对噪声的鲁棒性方面存在的不足, 提出一种广义旁瓣相消的成像算法. 首先基于最小方差准则, 构造广义旁瓣相消器, 获得自适应与非自适应两部分加权向量, 然后根据接收信号的协方差矩阵构建特征阈值信号子空间, 并将获得的加权向量投影到此特征信号子空间的左奇异矢量空间中, 获得新的加权矢量. 通过Field II点目标和吸声斑仿真结果表明: 该方法获得的超声图像在对比度、分辨率和对噪声的鲁棒性上均优于传统延时叠加算法及最小方差和相干系数结合算法, 同时将广义旁瓣相消算法获得的加权向量与符号相干系数结合, 还能进一步提高超声图像质量. 最后通过geabr_0实验数据进行测试, 结果表明: 提出算法的分辨率和对比度及对噪声的鲁棒性上均优于传统延时叠加算法及最小方差和相干系数结合算法.     

特征空间和符号相干系数融合的最小方差超声波束形成

为了提高医学超声成像的空间分辨率,提出一种融合了特征空间最小方差与符号相干系数的波束形成方法。首先利用最小方差法计算回波数据的协方差矩阵和加权向量;然后对协方差矩阵进行特征分解得到信号子空间,并将加权向量投影到该空间上;最后计算符号相干系数,用于优化特征空间法得到的回波信号,最终获得超声成像数据。为验证算法的有效性,对医学超声成像中常用的点目标、斑目标进行仿真,对点目标仿体和人体颈动脉组织进行超声成像实验。结果表明:所提出的方法在分辨率、对比度以及稳健性等方面都优于传统的延时叠加算法、最小方差算法、特征空间最小方差法以及特征空间与相干系数融合的方法。     

特征空间和符号相干系数融合的最小方差超声波束形成

为了提高医学超声成像的空间分辨率,提出一种融合了特征空间最小方差与符号相干系数的波束形成方法。首先利用最小方差法计算回波数据的协方差矩阵和加权向量;然后对协方差矩阵进行特征分解得到信号子空间,并将加权向量投影到该空间上;最后计算符号相干系数,用于优化特征空间法得到的回波信号,最终获得超声成像数据。为验证算法的有效性,对医学超声成像中常用的点目标、斑目标进行仿真,对点目标仿体和人体颈动脉组织进行超声成像实验。结果表明:所提出的方法在分辨率、对比度以及稳健性等方面都优于传统的延时叠加算法、最小方差算法、特征空间最小方差法以及特征空间与相干系数融合的方法。      

信噪比后滤波与特征空间融合的最小方差超声成像算法

为了提高超声成像空间分辨率和对比度,提出了一种信噪比后滤波与特征空间融合的最小方差波束形成算法。首先,利用信号子空间划分将最小方差算法得到的权矢量投影到信号子空间中提高成像对比度,然后基于信号相干性设计滤波系数,并引入基于信噪比的噪声加权系数,最终得到融合信噪比后滤波与特征空间的最小方差算法。为验证本算法的有效性,使用FieldⅡ对点目标和吸声斑目标进行了仿真实验验证,并采用密歇根大学geabr_0实验数据进行成像。实验结果表明:所提算法在对比度和分辨率上均有所提高,明显优于传统延时叠加算法,最小方差算法和ESBMV_wiener算法,且对噪声具有较强鲁棒性。      

次方样本熵自适应加权的超声合成孔径成像算法

利用相位相干系数(PCF)和广义相干系数(GCF)对波束形成后的结果进行加权,能有效提高超声成像的质量,但存在背景组织亮度降低,对比度不高,以及远处目标成像强度降低等问题。本文提出一种基于次方样本熵的合成孔径成像算法,将单个孔径发射时的低质量成像结果作为元素,根据孔径位置排列,构成空间向量。根据不同成像点对应的空间向量的随机性不同,计算每个点的空间向量的次方样本熵,并将该熵值作为权系数进行加权成像。采用FieldⅡ仿真数据成像结果表明,相比于传统的DAS算法,次方样本熵方法能够提高成像的分辨率和对比度;相比于PCF和GCF算法,次方样本熵方法能够在不损失组织背景强度的情况下,进一步改善了成像质量。      

Broadband optimal contrast resolution beamforming

This paper proposes a novel receive beamformer architecture for broadband imaging systems that uses unique finite impulse response (FIR) filters on each channel. The conventional delay-and-sum (DAS) beamformer applies receive apodization by weighting the signal on each receive channel prior to beam summation. Our proposed FIR beamformer passes the focused receive radio frequency (RF) signals through multi-tap FIR filters on each receive channel prior to summation. The receive FIR filters are constructed to maximize the contrast resolution of the system’s spatial response. The broadband FIR beamformer produces spatial point spread functions (PSFs) with narrower mainlobe widths and lower sidelobe levels than spatial PSFs produced by the conventional DAS beamformer.We present simulation results showing that FIR filters of modest tap lengths (3-7) can yield marked improvement in image contrast and point resolution. Specifically we show that 7-tap FIR filters can reduce sidelobe and grating lobe energy by 30 dB and improve contrast resolution by as much as 20 dB compared to conventional apodization profiles. This improvement in contrast resolution comes at the expense of a decrease in beamformer sensitivity. We investigate the effects of phase aberration and show in simulation results that the multi-tap FIR beamformer outperforms the unaberrated DAS beamformer by 8-12 dB even in the presence of moderate aberration characterized by a root-mean-square strength of 28 ns and a full-width at half-maximum correlation length of 3.6 mm. We show experimental results wherein multi-tap FIR filters decrease sidelobe energy in the resulting 2D spatial response while achieving a narrow mainlobe. We also show results where the FIR beamformer improves the contrast to noise ratio (CNR) in simulated B-mode cyst images by more than 4 dB. Our algorithm has the potential to significantly improve ultrasound beamforming in any application where the system response is reasonably well characterized. Furthermore, this algorithm can be used to increase contrast and resolution in one-way beamforming systems such as acousto-optic and opto-acoustic imaging.     

Reflectivity function reconstruction using adaptive lattice deconvolution technique

Deconvolution of ultrasonic echo signals improves resolution and quality of ultrasonic images. The problem of reconstructing the reflectivity of a biological tissue is examined by adaptive lattice deconvolution of the echo ultrasound signals. The simulation of the signal formation process in an ultrasonic-echo scan line in noisy conditions is estimated. The reflectivity of a biological tissue is estimated as cross-correlation coefficients between forward and backward predication errors in each stage of the adaptive lattice filter.     

利用先验估计自适应加窗的准静态超声弹性成像位移估计算法

准静态弹性成像技术是基于组织压缩前和压缩后超声回波射频信号进行组织运动重构的弹性成像技术。提出了一种基于先验估计的自适应窗函数算法,在位移估计过程中,使用已估计的临近窗的时延值作为先验信息,自动调整截取压缩后射频信号段的截取窗函数,提高了互相关运算所需的压缩前和压缩后信号段之间的相关性。仿真实验结果表明,该算法不仅大大提高了成像速度,而且提高了信噪比较低时的成像质量,同时该算法具有更宽的应变通带。      

Combined Sign Coherent Factor and Delay Multiply and Sum Beamformer for Plane Wave Imaging

Plane wave imaging is a relatively new technique in ultrasound imaging. However, in traditional methods, the coherent information of different emissions and different elements are not considered. In fact, the sign coherent factor (SCF) can improve the lateral resolution of the imaging greatly. In addition, the delay multiply and sum (DMAS) beamformer is mainly based on the spatial correlation of background scattering signals, it has higher contrast and resolution, but suffers from energy loss at great depths. In this paper, combining the advantages of SCF and DMAS, the sign coherent factor delay multiply and sum (SCF-DMAS) beamformer for plane wave imaging is proposed. Unlike the traditional plane wave imaging, the proposed SCF-DMAS beamformer is based on the 2-D echo data set, which improves the imaging speed greatly. Finally, we simulated the point targets and the cyst phantom to evaluate the performance of proposed method. Compared with the traditional plane wave imaging, the lateral resolution of SCF-DMAS beamformer improves greatly for the point targets, and for the cyst phantom the contrast ratio (CR) and contrast-to-noise ratio (CNR) increased by 96.97 and by 79.98% respectively without reducing the frame rate.