基于多角度相干复合的超声平面波成像

●何绪金

基于多角度相干复合的超声平面波成像

●何绪金

平面波超声成像采用平面波发射，单次发射即可覆盖整个成像区域，相较于传统的线扫聚焦超声，能极大的减少一帧图像的发射次数，从而显著的提升扫查帧率，但单次发射得到的平面波图像的分辨率和信噪比是严重下降的。本文提出的采用多角度平面波相干复合成像的方法，通过增加复合角度数目，可以有效提升图像的分辨率和信噪比，和常规聚焦波相比，在图像质量相当的情况下，帧率有极大提高。

超声成像；平面波；信噪比；分辨率；帧率；相干复合

1 引言

超声成像以其无创性、安全、成像速度快、使用方便等优势在临床诊断中大量被采用，是临床诊断的重要工具之一。超声成像系统的数据获取速度主要受声波在组织内部的传播速度的限制，目前传统的超声系统中，形成一帧超声图像的发射次数直接受限于一帧扫查区域范围内包含的扫描线数。一帧图像包含的线数一般在100-200线左右，整个超声系统的帧率被限制在每秒钟20到50帧左右。而若能够提升整个超声成像系统的帧率，将大大的拓展超声成像在临床领域的应用前景，比如实时3D成像，能够提供足够的卷率；如心脏成像，高帧率能够改善在一个心动周期内对心肌运动的捕捉和跟踪能力；此外还能够实现组织内瞬变效应（如弹性成像中的剪切波的传播过程）的可视化。可见超高速超声成像的应用前景是非常广阔的。

超高速超声成像的历史可以追溯到1978年，Delannoy等提出并行处理方法根据一次超声发射来得到一整帧图像，他们的系统在一帧图像有70条扫描线的情况下能够达到每秒钟1000帧的帧率[1][2]。Shattuck等在1984年实现了可用于相控阵扫描方式的并行处理方式，他们的系统采用一次非聚焦声束发射对应4个超声波束并行处理的接收模式，该方法的有效性得到了生物体内实验的验证[3][4]。在首次成功尝试以后，他们将整个成像方法的思路进一步拓展：假设单次发射脉冲能够照射到全部的感兴趣区域，这种并行处理方法理论上可以利用此次发射的回波信号对整个感兴趣区域进行成像，这正是平面波实现超高速超声成像的原理。1990年，Fink等成功应用了平面波理论，使得超声成像的帧率高于每秒钟5000帧[5][6][7]。进入20世纪以后，基于平面波发射实现高速超声成像的技术引起了广泛的关注和研究。

和聚焦波相比，平面波能够很大幅度提升帧率，但这是以牺牲图像质量为代价的。单次平面波发射所获得的图像存在横向分辨率差和中远场信噪比低的问题，这大大束缚了平面波进入实际临床应用的脚步。本文采用多角度平面波相干复合成像方法，发射多个不同偏转角度的平面波，采集各次平面波发射的回波信号进行波束合成，然后进行相干复合，输出数据给后续的一系列信号处理环节（B模式的包络检测、Color模式的自相关以及DSC等）并得到最终图像。实验表明，一定角度数目的相干复合能够达到和聚焦波图像质量相当的效果，且在此前提下平面波的帧率仍然具有显著优势。

2 平面波多角度合成理论研究

传统的超声成像是通过发射多次聚焦波束照射组织来成像，如图1a所示，以单波束接收为例，聚焦波每获得一根接收线需要付出一次发射的代价，如果一帧图像有N根扫描线，则要形成一帧图像共需发射N次；而在平面波成像模式下，如图1b所示，同时激励换能器所有阵元，产生一个平行于换能器的超声平面波，此平面波产生的声场能够有效覆盖所有感兴趣区域，经组织散射后，所有阵元也同时接收回波信号，通过这些回波信号就可以得到整个区域的超声图像。因此平面波只需要进行一次发射即可得到一帧图像，和聚焦波相比，发射次数降为了1/N。即使聚焦波采用双波束、四波束等多波束并行处理技术，平面波在减少发射次数方面的优势仍然是非常可观的。

图1 聚焦波和平面波成像模式对比

由于单一角度平面波没有聚焦效果，成像对比度和信噪比低，因此，我们通过发射一系列不同偏转角度的平面波，将这些不同角度发射得到的回波数据进行波束合成，然后再相干叠加来提升最终一帧图像的对比度和信噪比。

图2 平面波传播时间示意图[8]

将线阵探头置于感兴趣介质上方（直接与介质表面接触）。图2[8]给出了平面波传播时间示意图，图中x方向为超声换能器阵列平行方向，z方向为成像介质的深度方向。平面波成像时，系统通过特定时间差的超声脉冲激励各个换能器使其发出平面波，平面波进入成像介质后会发生散射，换能器阵列接收到被散射回的超声波信号，如图2(b)所示，记x1位置处的换能器接收到的回波信号为RF(x1,t)，对于偏转角度为α的平面波，超声波由换能器发出到达点(x,z)，然后再经此点介质散射回到x1位置处换能器的时间为：

上式中c表示超声波在介质中的传播速度（假设声速为恒定不变的）。对于无偏转情况，即α=0，代入上式中可得到：

对应于成像介质中的点(x,z)，单次平面波发射（偏转角度为α）获得的一帧图像为将x方向上各个位置处换能器获得的信号经过延迟叠加起来的结果，用公式表达如下：将不同偏转角度下得到的图像结果进行相干叠加能够提升最终平面波成像的质量。我们选用一系列不同的发射偏转角度αi(i=1,…,n)，对每一个特定的偏转角度，按照上述的方法可以得到一幅输出图像然后将这n副输出图像叠加起来即可得到最终平面波成像的图像：

在各次偏转角度对应的子图像叠加之前未进行任何非线性的处理，因此最终的叠加过程是相干叠加。

3 实验结果

为了更直观的将平面波成像和传统聚焦波成像进行对比，我们使用线阵探头分别采用平面波和聚焦波两种方式对超声体模进行成像，然后对成像结果进行定量分析。

线阵探头为192阵元，阵元间距为0.2mm，用于成像的超声波中心频率为7.5MHz，横向线间距为0.2mm。聚焦波发射孔径为46，聚焦深度为25mm，一帧共发射83次；平面波发射孔径为192，无聚焦，发射偏转角度为-5°到5°范围内等间距的17个角度。如下图3所示，3a为传统聚焦波图像，3b为17个角度平面波图像。彩色的取样框表示计算不同深度靶点信噪比和横向分辨率的取样范围。

图3 聚焦波和平面波对超声体模靶点成像结果

图4 聚焦波和平面波成像结果信噪比和横向分辨率对比

分别计算这两种成像模式下不同深度靶点处的信噪比和靶点的-20db宽度，取各深度结果的中位数作为整体平均指标，将两种模式的平均指标进行对比，得到的结果如图4所示：4a中蓝色曲线显示的是平面波信噪比与聚焦波信噪比之差（单位db），其中横轴为平面波相干叠加的角度数目。可见随着角度数目的增加，平面波的信噪比是在逐渐提升的，角度数目为9时平均信噪比能够达到和聚焦波相当的效果，继续提升复合角度数目能够得到优于传统聚焦波的信噪比；4b中显示的是平面波靶点-20db宽度与聚焦波靶点-20db宽度的比值，横轴为平面波相干叠加的角度数目。可见随着角度数目增加，靶点-20db宽度随之减小（对应图像横向分辨率的提升），当平面波角度数目增加到17时，能够获得与传统聚焦波相当的横向分辨率。

由以上结果可知，多角度相干复合能够有效提升平面波图像质量，增加相干复合角度数对图像信噪比和横向分辨率都有显著提升效果。平面波成像发射9个不同角度即可达到聚焦波（发射83次）相同的信噪比；平面波成像发射17个不同角度即可达到聚焦波（发射83次）相当的横向分辨率。可见，在图像质量达到与聚焦波相当的效果下，平面波成像在发射次数上具有明显优势，而发射次数减少的直接结果就是超声成像系统数据采集帧率的提升。

4 结论

与传统聚焦波逐线扫描成像相比，平面波成像技术发射一次就可以获得一帧图像。将多个不同偏转角度下的平面波发射获得的信号相干复合可以有效提升平面波图像的横向分辨率和信噪比。实验结果表明，9个角度的相干叠加即可达到与聚焦波相当的信噪比；17个角度的相干叠加可达到与聚焦波相当的横向分辨率，而与聚焦波要形成一帧图像所需的83次发射相比，平面波的发射次数显著减少。。

多角度相干复合能够在保持帧率优势的前提下有效提升平面波成像的图像质量，使其能够应用于对时间分辨率要求较高的临床应用场景，基于多角度相干复合的超声平面波技术将进一步促进超声成像在各临床应用领域的发展。

（作者单位：深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司）

[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.